Способ регистрации изображений

Изобретение относится к телевизионной технике и может использоваться для регистрации изображений в устройствах скоростной цифровой видеосъемки быстропротекающих процессов. Технический результат состоит в повышении быстродействия, для этого способ основан на переносе изображения объекта на поверхность фоточувствительных ячеек фотоприемных матриц, экспозиции кадра изображения, вызывающей в ячейках матриц изменение электрических зарядов, пропорциональных яркостям соответствующих элементов изображения, и считывании электрических зарядов. Изображение объекта переносят на входное поле оптоволоконного жгута, фрагментируют изображение посредством разделения оптоволоконного жгута на пучки, выходные поля которых формируют в виде узких полос, оптически сопрягают их с соответствующими группами фоточувствительных ячеек фотоприемных матриц с образованием в упомянутых матрицах зон резервных запоминающих ячеек, причем после экспозиции каждого кадра изображения осуществляют перенос пакетов электрических зарядов в запоминающие ячейки резервных зон, последовательно заполняя зоны резервных запоминающих ячеек до их частичного или полного заполнения, после чего производят считывание электрических зарядов с фотоприемных матриц. Изображение фрагментируют на узкие полосы, ширину которых задают не более требуемого размера элемента разрешения изображения объекта на входном поле оптоволоконного жгута. В фоточувствительных матрицах зоны резервных запоминающих ячеек располагают с регулярным шагом их повторения в направлении пошагового параллельного переноса пакетов электрических зарядов. В каждой фоточувствительной матрице число запоминающих ячеек в направлении пошагового параллельного переноса пакетов электрических зарядов задают не менее требуемого числа последовательно регистрируемых кадров. Ячейки зон резервных запоминающих ячеек выполняют нечувствительными к действию света. В конце рабочего цикла регистрации изображений осуществляют считывание видеосигналов с восстановлением последовательности кадров исходного изображения путем комбинированного объединения сигналов с соответствующих зон резервных запоминающих ячеек фотоприемных матриц. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к телевизионной технике и может использоваться в качестве способа регистрации изображений в устройствах скоростной цифровой видеосъемки быстропротекающих процессов.

В таких устройствах чувствительным элементом является матрица на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-матрицы широко используются в цифровых фото- и видеокамерах, а также других светочувствительных приборах. Реакция каждого фоточувствительного элемента пропорциональна интегралу световой энергии, попадающей на поверхность этого элемента за время экспозиции.

Известен способ регистрации быстропротекающих процессов, согласно которому с помощью системы объективов и быстровращающегося зеркала изображение объекта последовательно проектировалось на неподвижно установленную фотопленку в виде серии кадров [1].

Недостатком данного способа является наличие устройства механической развертки и невозможность оперативного анализа данных эксперимента, обусловленная длительным процессом проявки фотопленки.

Известен способ приема изображений [2], включающий механическое смещение матрицы светочувствительных или светоизлучающих элементов, причем изображение разбивают на равные окна и идентифицируют в памяти ОЗУ в виде блока записей, где число записей равно числу пиксел в одном окне, при этом развертку изображения осуществляют путем механических смещений матрицы элементов, равных числу окон, с одновременным последовательным считыванием полей записи на каждое положение матрицы, при этом смещение матрицы проводят попеременно, т.е. в горизонтальном направлении на величину окна, а в вертикальном на величину элемента изображения, причем смещение матрицы проводят путем периодической развертки каждого окна изображения одновременно снизу вверх и сверху вниз с периодическим возвратом в начальную точку.

Недостатком такого способа является низкое быстродействие, обусловленное необходимостью осуществления механических смещений матрицы элементов, что не позволяет производить прием, обработку и регистрацию изображений движущихся с большой скоростью объектов и быстроменяющихся процессов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является известный способ регистрации изображений [3], основанный на использовании фоточувствительных матриц, на плоскость которых с помощью оптической системы проецируется изображение. В фоточувствительных матрицах генерируются наборы (пакеты) электрических зарядов, каждый из которых пропорционален интегралу световой энергии, принятой соответствующей фоточувствительной ячейкой. С помощью аналоговой и цифровой электроники осуществляется преобразование пакетов зарядов в цифровую форму.

Недостатком такого способа является низкое быстродействие при регистрации последовательности кадров быстроменяющихся изображений объектов, обусловленное ограничением частоты кадров съемки, определяемым циклограммой работы фотоприемных матриц, включающей в каждом кадре, кроме времени экспозиции изображения, время последовательного переноса зарядовых пакетов и преобразования их величин в цифровую форму.

Технический результат, заключающийся в повышении быстродействия, достигается в предлагаемом способе регистрации изображения объекта, основанном на переносе изображения объекта на поверхность фоточувствительных ячеек фотоприемных матриц, экспозиции кадра изображения, вызывающей в ячейках матриц изменение электрических зарядов, пропорциональных яркостям соответствующих элементов изображения, и считывании электрических зарядов, отличающемся тем, что изображение объекта переносят на входное поле оптоволоконного жгута, фрагментируют изображение посредством разделения оптоволоконного жгута на пучки, выходные поля которых формируют в виде узких полос, оптически сопрягают их с соответствующими группами фоточувствительных ячеек фотоприемных матриц с образованием в упомянутых матрицах зон резервных запоминающих ячеек, причем после экспозиции каждого кадра изображения осуществляют перенос пакетов электрических зарядов в запоминающие ячейки резервных зон, последовательно заполняя зоны резервных запоминающих ячеек до их частичного или полного заполнения, после чего производят считывание электрических зарядов с фотоприемных матриц.

Указанный технический результат достигается также тем, что изображение фрагментируют на узкие полосы, ширину которых задают не более требуемого размера элемента разрешения изображения объекта на входном поле оптоволоконного жгута.

Технический результат достигается также посредством того, что в фоточувствительных матрицах зоны резервных запоминающих ячеек располагают с регулярным шагом их повторения в направлении пошагового параллельного переноса пакетов электрических зарядов.

Достижение технического результата обеспечивается также тем, что в каждой фоточувствительной матрице число запоминающих ячеек в направлении пошагового параллельного переноса пакетов электрических зарядов задают не менее требуемого числа последовательно регистрируемых кадров.

Дополнительный технический результат, заключающийся в упрощении технической реализации способа, достигается тем, что ячейки зон резервных запоминающих ячеек выполняют нечувствительными к действию света.

Кроме того, достижение технического результата обеспечивается тем, что в конце рабочего цикла регистрации изображений осуществляют считывание видеосигналов с восстановлением последовательности кадров исходного изображения путем комбинированного объединения сигналов с соответствующих зон резервных запоминающих ячеек фотоприемных матриц.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 показана структурная схема одного из возможных вариантов устройства, реализующего предлагаемый способ;

- фиг.2 поясняет операции способа, при выполнении которых выходные поля формируют в виде узких полос, оптически сопряженных с соответствующими группами фоточувствительных ячеек фотоприемных матриц с образованием в упомянутых матрицах зон резервных запоминающих ячеек;

- фиг.3 поясняет проведение фрагментации входного поля, на которое переносится изображение, и один из возможных вариантов распределения пучков оптоволоконного жгута по фотоприемным матрицам;

- на фиг.4 приведены четыре последовательных кадра быстроменяющегося изображения, полученные при скоростной съемке через короткие промежутки времени (взрыв капсюля) и иллюстрирующие возможности предлагаемого способа.

Предлагаемый способ может быть реализован в различных вариантах устройств, при этом в каждом из возможных вариантов устройства выполняется одна и та же последовательность операций, охарактеризованная в формуле изобретения.

На схеме одного из вариантов устройства для реализации способа (фиг.1) показано изображение 1 в виде стрелки, которое проецируется с помощью оптической системы 2 на входное поле 4 оптоэлектронного жгута 5, пучки 6 которого связаны с соответствующими группами фоточувствительных ячеек фоточувствительных матриц 7. Выходы фоточувствительных матриц 7 связаны со входами аналого-цифровых преобразователей 8. Устройство содержит также блок 9 синхронизации и управления и блок 10 приема и обработки видеоинформации. Управляющие входы фоточувствительных матриц 7 и блока 10 подключены к выходам блока 9, предназначенного для обеспечения согласованной во времени работы функциональных блоков и узлов устройства.

В предлагаемом способе осуществляется следующая последовательность операций над изображением и электрическими сигналами.

С помощью оптической системы 2 (фиг.1) осуществляют проецирование изображения 1 (условно показано в виде стрелки) на входное поле 4 оптоэлектронного жгута 5 (стрелка 3) и фрагментируют изображение посредством разделения оптоволоконного жгута на пучки 6, с помощью которых фрагменты изображения объекта одновременно переносят на поверхность фоточувствительных ячеек фотоприемных матриц 7.

Фрагментация изображения может производиться различным образом, например на узкие полосы или регулярно расположенные геометрические фигуры, плотно заполняющие все входное поле 4 оптоволоконного жгута (не показано).

При фрагментации изображения на узкие полосы их ширину задают не более требуемого размера элемента разрешения изображения объекта на входном поле 4.

Выходные поля пучков 6, сформированные в виде узких полос, оптически сопрягают с соответствующими группами фоточувствительных ячеек фотоприемных матриц 7 с образованием в упомянутых матрицах зон резервных запоминающих ячеек (см. фиг.2 и фиг.3).

Зоны резервных запоминающих ячеек располагают с регулярным шагом d их повторения в направлении последующего параллельного переноса пакетов электрических зарядов (указано стрелкой на фиг.2).

Число запоминающих ячеек резервных зон матриц 7 в указанном направлении, т.е. между соседними выходными линейными полями пучков 6, задают не менее требуемого числа последовательно регистрируемых кадров.

При этом осуществляют экспозицию кадра изображения, что вызывает в ячейках строк матриц 7, сопряженных с выходными полями пучков 6, изменение электрических зарядов, пропорциональных яркостям соответствующих элементов изображения.

Перед вводом изображений все матрицы 7 очищают от зарядов, накопленных в фоточувствительных ячейках в порядке, предусмотренном конструкцией матриц, и с помощью соответствующих управляющих сигналов.

После экспозиции каждого кадра изображения осуществляют пошаговый параллельный перенос пакетов электрических зарядов в запоминающие ячейки резервных зон, последовательно заполняя зоны резервных запоминающих ячеек до их частичного или полного заполнения, после чего производят считывание электрических зарядов с фотоприемных матриц 7.

Таким образом, в каждый момент времени (см. фиг.2) в фотоприемных матрицах 7 производится экспозиция всех строк изображения объекта, вызывающая накопление в фоточувствительных ячейках зарядовых пакетов, пропорциональных яркости соответствующих участков изображения, при этом в результате подачи управляющих сигналов, вызывающих перемещение зарядовых пакетов, зарядовые пакеты перемещаются из зон накопления зарядов в зоны их переноса и хранения.

Поскольку ячейки резервных зон используются только для запоминания с возможностью параллельного переноса в соседние ячейки, то при изготовлении матриц 7 их можно выполнять нечувствительными к действию света, что упрощает техническую реализацию.

После подачи определенного числа управляющих сигналов, вызывающих перемещение зарядовых пакетов, прекращают проектирование изображения на торец оптоволоконного жгута, например, с помощью оптического затвора (на фиг.1 не показан) и производят считывание изображения с фотоприемных матриц в порядке, предусмотренном конструкцией фотоприемных матриц 7.

В конце цикла регистрации изображений осуществляют восстановление последовательности кадров исходного изображения путем комбинированного объединения сигналов с соответствующих зон резервных запоминающих ячеек фотоприемных матриц 7.

Известные способы регистрации изображений обладают существенным недостатком - ограничением частоты кадров съемки, определяемым циклограммой работы фотоприемной матрицы, включающей в каждом кадре, кроме времени экспозиции изображения, время последовательного переноса зарядовых пакетов и преобразования их величин в цифровую форму.

Предлагаемый способ снимает это ограничение за счет обеспечения возможности регистрации быстроменяющихся изображений с частотой выше частоты считывания кадров с фотоприемной матрицы за счет того, что быстрый процесс регистрации изменений объекта и медленный процесс последовательного считывания информации с нескольких фотоприемных матриц 7 оказывается разнесенным по времени. Принципиальным для возможности реализации этого способа является то, что для некоторых типов фотоприемных матриц частота управляющих сигналов, вызывающих перемещение зарядовых пакетов, достигает нескольких мГц, что определяет кадровую частоту по предлагаемому способу в сравнении с десятками кГц кадровой частоты для матриц, специально предназначенных и используемых в известных способах для скоростной видеосъемки. Кроме того, в известных способах существует принципиальное техническое ограничение на скорость переноса данных, получаемых в результате регистрации изображений на носитель, в то время как в предлагаемом способе в качестве временного носителя регистрируемых изображение используются ячейки самих матриц, что разрешает данную техническую проблему.

Приведеная на фиг.3 структурная схема является одним из вариантов распределения выходных фланцев пучков 6 оптоволоконного жгута по фотоприемным матрицам 7, при этом возможны и другие варианты, например в зависимости от соотношения требуемого формата (числа столбцов и элементов в строке) регистрации и формата фотоприемных матриц, или, например, исходя из конструктивных (технологических) особенностей оптоволоконного устройства, или, например, с целью уменьшения числа фотоприемных матриц может быть реализован иной порядок распределения выходных фланцев оптоволоконного устройства по фотоприемным матрицам, например путем сопряжения нескольких выходных фланцев с одной строкой фотоприемной матрицы. При этом последовательность операций независимо от варианта конструкции устройства выполняется в соответствии с описанным выше способом.

Предложенный способ соответствует требованию промышленной применимости, т.к. может быть многократно воспроизведен и реализован в устройствах на основе современных элементов микросхемотехники и оптоэлектроники с использованием компьютерной техники и программ для обработки последовательности кадров быстроменяющихся изображений и быстропротекающих процессов, один из примеров которых представлен на фиг.4.

Источники информации

1. Дубовик А.С., Кевлишвили П.В., Шнирман Г.Л. Высокоскоростная фоторегистрирующая установка СФР. Л.: Изд-во ВИНИТИ АН СССР, 1957.

2. Патент РФ №2109409, М. Кл. H04N, 3/14, 28.07.1992.

3. Р.Гонсалес и Р.Вудс. «Мир цифровой обработки», перевод с английского под ред. Чочиа. «Техносфера», М., 2005 г., с.94-96.

1. Способ регистрации изображений, основанный на переносе изображения объекта на поверхность фоточувствительных ячеек фотоприемных матриц, экспозиции кадра изображения, вызывающей в ячейках матриц изменение электрических зарядов, пропорциональных яркостям соответствующих элементов изображения, и считывании электрических зарядов, отличающийся тем, что изображение объекта переносят на входное поле оптоволоконного жгута, фрагментируют изображение посредством разделения оптоволоконного жгута на пучки, выходные поля которых формируют в виде узких полос, оптически сопрягают их с соответствующими группами фоточувствительных ячеек фотоприемных матриц с образованием в упомянутых матрицах зон резервных запоминающих ячеек, причем после экспозиции каждого кадра изображения осуществляют перенос пакетов электрических зарядов в запоминающие ячейки резервных зон, последовательно заполняя зоны резервных запоминающих ячеек до их частичного или полного заполнения, после чего производят считывание электрических зарядов с фотоприемных матриц.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изображение фрагментируют на узкие полосы, ширину которых задают не более требуемого размера элемента разрешения изображения объекта на входном поле оптоволоконного жгута.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в фоточувствительных матрицах зоны резервных запоминающих ячеек располагают с регулярным шагом их повторения в направлении пошагового параллельного переноса пакетов электрических зарядов.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в каждой фоточувствительной матрице число запоминающих ячеек в направлении пошагового параллельного переноса пакетов электрических зарядов задают не менее требуемого числа последовательно регистрируемых кадров.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что ячейки зон резервных запоминающих ячеек выполняют нечувствительными к действию света.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в конце рабочего цикла регистрации изображений осуществляют считывание видеосигналов с восстановлением последовательности кадров исходного изображения путем комбинированного объединения сигналов с соответствующих зон резервных запоминающих ячеек фотоприемных матриц.