Телевизионная камера для наблюдения в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов
Изобретение относится к телекамерам, работающим в условиях сложной освещенности 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. Техническим результатом является расширение динамического диапазона градаций яркости формируемого телекамерой изображения независимо от пространственного размещения в поле зрения объектов и деталей наблюдаемой сцены с резким отличием по освещенности или яркости. Результат достигается тем, что в телекамеру введены блок задержки на кадр, второй компаратор, элемент ИЛИ и элемент И. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.
Изобретение относится к телекамерам, работающим в условиях сложной освещенности 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.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телекамеру [1], содержащую последовательно расположенные и оптически связанные объектив и светоделитель, 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, а проекции оптического кадра объектива на фотомишенях совпадают, а также последовательно соединенные селектор синхроимпульсов и формирователь сигнала «окошко», коммутатор-смеситель, последовательно соединенные пиковый детектор и компаратор, опорный вход которого подключен к пороговому напряжению Uп, счетчик, коммутатор и RS-триггер, вход S которого подключен соответственно к входу «Сброс» пикового детектора и входу очистки счетчика, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора, тактовый вход счетчика подключен к второму выходу селектора синхроимпульсов, а выход разрядов счетчика - к информационному входу коммутатора сигналов 11, управляющий вход которого подключен к прямому выходу RS-триггера и соединен с первым управляющим входом первого датчика, второй управляющий вход которого подключен к выходу коммутатора, выход «Синхро» первого датчика подключен к входу «синхро» второго датчика, а выход «видео» первого датчики - к входу селектора синхроимпульсов, к первому информационному входу коммутатора-смесителя и к информационному входу пикового детектора, вход «Строб» которого подключен к выходу формирователя сигнала «окошко» и соединен с управляющим входом коммутатора-смесителя, второй информационный вход которого подключен к выходу «видео» второго датчика, а выход коммутатора-смесителя является выходом «видео» телевизионной камеры, при этом вход S RS-триггера является входом «Пуск» телекамеры, а вход R RS-триггера - входом «Стоп» телекамеры.
При эксплуатации телекамеры 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 наблюдение за зоной горячего проката в металлургии, а также контроль процессов дуговой или электронно-лучевой сварки в автоматическом или полуавтоматическом режиме.
Телекамера прототипа обеспечивает расширение динамического диапазона градаций яркости изображений наблюдаемой сцены путем формирования комбинированного изображения, являющегося результатом синтеза видеосигналов, вырабатываемых первым и вторым датчиками. В расположенном по центру «окне» комбинированного изображения передаются видеосигналом первого датчика яркие и светлые объекты наблюдаемой сцены. В пределах оставшейся области комбинированного изображения (вне «окна») осуществляется передача темных и/или низко освещенных деталей сцены, выполняемая видеосигналом второго датчика.
Недостаток прототипа - ограничение по пространственному размещению в поле зрения телекамеры объектов и деталей наблюдаемой сцены с резким отличием по освещенности или яркости.
Задача изобретения - расширение динамического диапазона градаций яркости формируемого телекамерой изображения независимо от пространственного размещения в поле зрения объектов и деталей наблюдаемой сцены с резким отличием по освещенности или яркости.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телекамеру, которая содержит объектив, последовательно соединенные датчик телевизионного сигнала, селектор синхроимпульсов, счетчик-делитель и коммутатор, а также RS-триггер, первый компаратор, опорный вход которого подключен к пороговому напряжению, и коммутатор-смеситель, причем первый управляющий вход датчика телевизионного сигнала соединен с управляющим входом коммутатора и подключен к прямому выходу RS-триггера, второй управляющий вход датчика телевизионного сигнала - к выходу коммутатора, информационный вход которого подключен к выходу счетчика-делителя, а выход «Видео» датчика телевизионного сигнала - к первому информационному входу коммутатора-смесителя, S-вход RS-триггера является входом «Пуск» телекамеры, R-вход RS-триггера - входом «Стоп» телекамеры, а выход коммутатора-смесителя - выходом «Видео» телекамеры, введены элемент «И» и последовательно соединенные блок задержки на кадр, состоящий из последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя (АЦП), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) и цифроаналогового преобразователя (ЦАП), второй компаратор и элемент ИЛИ, при этом выход блока задержки на кадр подключен к второму информационному входу коммутатора-смесителя, первый управляющий вход коммутатора-смесителя подключен к выходу элемента И, первый и второй входы которого подключены соответственно к прямому выходу RS-триггера и выходу счетчика-делителя, второй управляющий вход коммутатора-смесителя подключен к выходу элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу первого компаратора, стробирующие входы первого и второго компараторов объединены и подключены к прямому выходу RS-триггера, тактовый вход которого подключен к выходу селектора синхроимпульсов, а информационный вход первого компаратора соединен с входом блока задержки на кадр и подключен к выходу датчика телевизионного сигнала, фотомишень которого оптически связана с оптическим кадром объектива.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая телекамера отличается наличием новых блоков, в том числе: блока задержки на кадр, второго компаратора, элемента ИЛИ и элемента И, а также наличием новых связей между новым и остальными блоками.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
В предлагаемом решении на выходе фотоприемника вырабатывается мультиплексный видеосигнал, смежные кадры в котором сформированы при двух различных длительностях накопления матрицы ПЗС, которые оптимальны или близки к оптимальным значениям соответственно для светлых и темных фрагментов сцены. Последующее демультиплексирование этого сигнала изображения обеспечивает синтез выходного видеосигнала телевизионной камеры с расширенным динамическим диапазоном передаваемых изображений независимо от пространственного размещения в поле зрения объектов и деталей наблюдаемой сцены с резким отличием по освещенности или яркости.
По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 изображена структурная схема заявляемой телекамеры, на фиг.2 приведен пример выполнения электрической схемы коммутатора, на фиг.3 представлена временная диаграмма, поясняющая работу телекамеры, на фиг.4 показан один из возможных вариантов выполнения электрической схемы коммутатора-смесителя; на фиг.5 представлена временная диаграмма, поясняющая работу счетчика-делителя.
Заявляемая телекамера (см. фиг.1) содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1 и фотомишень датчика 2 телевизионного сигнала, а также RS-триггер 3, селектор синхроимпульсов 4, счетчик-делитель 5, коммутатор 6, первый компаратор 7, блок 8 задержки на кадр, состоящий из последовательно соединенных АЦП 8-1, ОЗУ 8-2 и ЦАП 8-3, второй компаратор 9, элемент ИЛИ 10, элемент И 11 и коммутатор-смеситель 12, причем выход «Видео» датчика 2 подключен к входу селектора 4 синхроимпульсов, выход которого подключен к тактовому входу RS-триггера 3 и соответственно к входу последовательно соединенных счетчика-делителя 5 и коммутатора 6, управляющий вход которого подключен к прямому выходу RS-триггера 3 и соединен соответственно с первым управляющим входом датчика 2 и со стробирующими входами компараторов 7 и 9, опорные входы которых подключены к пороговому напряжению Uп, информационный вход компаратора 7, соединенный с входом блока 8 задержки на кадр и соответственно с первым информационным входом коммутатора-смесителя 10, подключен к выходу «Видео» датчика 2, второй управляющий вход которого подключен к выходу коммутатора 6, при этом второй информационный вход коммутатора-смесителя 10 подключен к выходу блока 8 задержки на кадр, первый управляющий вход коммутатора-смесителя 12 - к выходу элемента И 11, первый и второй входы которого подключены соответственно к прямому выходу RS-триггера 3 и выходу счетчика-делителя 5, второй управляющий вход коммутатора-смесителя 10 - к выходу элемента ИЛИ 10, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам компараторов 9 и 7, вход «S» RS-триггера 3 является входом «Пуск», вход «R» RS-триггера 3-входом «Стоп», а выход коммутатора-смесителя 12 - выходом «Видео» телекамеры.
В качестве датчика 2 может быть использована предлагаемая российской фирмой «ЭВС» (г.Санкт-Петербург) бескорпусная камера VSI-746 [2], которая выполнена на основе матрицы ПЗС с числом элементов 582×752 и размером мишени по диагонали Ѕ дюйма.
Особенностью датчика 2 в заявляемом решении является наличие первого и второго управляющих входов.
Для прибора VSI-746 первым управляющим входом является вывод 20 микросхемы CXD2463R. Если необходимо 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 прибора VSI-746 образуют выводы 11, 12, 13 микросхемы CXD2463R. 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 ниже табл.1.
| 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 |
В настоящем решении используются две кодовые комбинации: «000», соответствующая минимальному времени накопления фотоприемника, равному 10 мкс, и «111» - максимальному времени в 10000 мкс. Предустановка этих кодов предусмотрена в коммутаторе 6.
Возможная электрическая схема этого блока (см. фиг.2) содержит первый элемент И 6-1, второй элемент И 6-2, третий элемент И 6-3, а также первый коммутатор 6-4, второй коммутатор 6-5 и третий коммутатор 6-6, при этом первые входы элементов И соединены между собой и подключены к выходу счетчика-делителя 5, вторые входы элементов И - к прямому выходу RS-триггера 3, а выходы элементов И - соответственно к управляющим входам первого 6-4, второго 6-5 и третьего 6-6 коммутаторов, входы разрешения коммутаторов соединены между собой и подключены к прямому выходу RS-триггера 3, а выходы коммутаторов являются выходом блока 6.
При подаче высокого логического уровня сигнала на входы разрешения коммутаторов 6-4, 6-5, 6-6 и высокого логического уровня сигнала на первые входы элементов И 6-1, 6-2, 6-3 на выходе блока 6 формируется логическая комбинация «111».
Когда на первые входы элементов И 6-1, 6-2, 6-3 будет подан логический «0», на выходе блока 6 установится логическая комбинация «000».
Если на входы разрешения коммутаторов 6-4, 6-5, 6-6 будет подан низкий логический уровень, тогда, независимо от состояния на входах элементов И 6-1, 6-2, 6-3, выходы коммутаторов будут изолированы от входов.
RS-триггер 3 является тактируемым триггерным устройством RS-типа с высоким активным уровнем на входах управления. Элемент ИЛИ 10 и элемент И 11 являются логическими элементами с однозначным представлением о выполняемых ими функциях.
Селектор 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 5 предназначен для выполнения деления частоты импульсов КСИ на два (с 50 Гц до 25 Гц) при прогрессивной развертке и соответственно на четыре (с 50 Гц до 12,5 Гц) при чересстрочной развертке видеосигнала в телекамере.
Особенностями компараторов 7 и 9 является применение в каждом из них стробирующего входа. В качестве элементной базы для выполнения необходимых компараторов могут быть использованы микросхемы КМ597СА1 [3, с.366]. При подаче на стробирующий вход компаратора логической «1» происходит сравнение исследуемого сигнала с опорным напряжением. Если на стробирующем входе компараторов устанавливается логический «0», тогда происходит исключение процесса сравнения, а на выходе компаратора формируется нулевой уровень.
Блок 8 предназначен для выполнения задержки входного видеосигнала на длительность одного кадра. Если в телекамере использована прогрессивная развертка с частотой кадров 50 Гц, то длительность задержки составляет 20 мс. При организации в телекамере стандартной чересстрочной развертки длительность требуемой задержки будет составлять два полукадра, т.е. 40 мс. Техническая реализация блока 8 может быть осуществлена путем последовательного соединения аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8-1, оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) 8-2, цифроаналогового устройства (ЦАП) 8-3.
Коммутатор-смеситель 12 предназначен для синтеза выходного видеосигнала телекамеры. Электрическая схема блока 12 может быть выполнена на базе одного из двух четырехканальных аналоговых коммутаторов микросхемы КР590КН3 [3, с.450-451], как предложено на фиг.4. В зависимости от уровней логических сигналов, подаваемых на первый и второй управляющие входы, в соответствии с табл.2, истинности открывается один из каналов, а именно: 1А или 2А, или 3А, или 4А.
| Таблица 2 | |||
| Уровни на управляющих входах | Номер открытого канала | ||
| #2 | #1 | Е | |
| 0 | 0 | 1 | 1А |
| 1 | 0 | 1 | 2А |
| 0 | 1 | 1 | 3А |
| 1 | 1 | 1 | 4А |
Телекамера (см. фиг.1) работает следующим образом.
В поле зрения телекамеры могут одновременно находиться сильно и слабо освещенные объекты и/или объекты с резким отличием по яркости. Предположим, что телекамера работает в режиме прогрессивной развертки.
Автоматическая регулировка времени накопления (АРВН) фотоприемника в датчике 2 телевизионного сигнала установит по сильно освещенному или яркому сюжету величину текущей экспозиции. Для передаваемых в одном телевизионном поле темных и низко освещенных деталей сцены это время экспонирования приведет к реальной потере чувствительности и искажениям соответствующих фрагментов изображения из-за ограничения динамического диапазона телекамеры снизу. Селектор 4 синхроимпульсов выделяет на выходе кадровые синхроимпульсы с периодом Тп (см. фиг.3а), а счетчик-делитель 5 - выполняет деление входной частоты на два, формируя на выходе меандр с периодом Тд1=2Тп (см. фиг.3б).
Пусть на вход «Пуск» подается импульс положительной полярности. В момент совпадения на «S»-входе RS-триггера 3 высокого уровня этого импульса с высоким уровнем кадровых синхроимпульсов на его тактовом входе состояние триггера изменяется. На прямом выходе триггера 3 устанавливается сигнал логической «1». Последний подается на управляющий вход блока 6, на первый управляющий вход датчика 2 и на стробирующие входы компараторов 7 и 9. Поэтому схема АРВН в датчике 2 отключается, а его второй управляющий вход оказывается подключенным к выходу блока 6. Одновременно компараторы 7 и 9 оказываются подготовленными к работе.
Отметим, что независимо от этой коммутации селектор 4 синхроимпульсов продолжает выделять на выходе кадровые синхроимпульсы, а на выходе счетчика-делителя 5 формируются импульсы с периодом Тд.
При подключении второго управляющего входа датчика 2 к выходу блока 6 на этом входе на время действия низкого уровня меандра импульсов с выхода блока 5 устанавливается логическая комбинация «000», обеспечивающая длительность кадрового накопления зарядов в фотоприемнике, равной 10 мкс (см. табл.1). Когда же с выхода блока 5 будет подан высокий уровень меандра импульсов, тогда на это время на втором управляющем входе датчика 2 установится логическая комбинация «111», гарантирующая время накопления матрицы ПЗС 10000 мкс (см. табл.1). Датчик 2 формирует мультиплексный сигнал изображения (см. фиг.3г), смежные кадры которого являются «длинными» и «короткими» видеосигналами в соответствии с режимом накопления зарядов в фотоприемнике.
Этот мультиплексный сигнал изображения одновременно поступает на первый информационный вход коммутатора-смесителя 12, вход первого компаратора 7 и на вход блока 8 задержки на кадр. Компаратор 7 сравнивает видеосигнал на входе с пороговым напряжением Uопорное, формируя на выходе импульсы, показанные на фиг.3д. В блоке 8 выполняется задержка на кадр входного мультиплексного сигнала изображения, как показано на фиг.3ж. Этот задержанный мультиплексный видеосигнал одновременно подается на второй информационный вход блока 12 и на второй компаратор 9. Компаратор 9 сравнивает видеосигнал на входе с пороговым напряжением Uопорное, формируя на выходе импульсы, показанные на фиг.3е.
Выходные импульсы компараторов логически суммируются на элементе ИЛИ 10, обеспечивая формирование необходимого сигнала на втором управляющем входе коммутатора-смесителя 12 (см. фиг.3в). На первом управляющем входе блока 12 присутствуют импульсы с выхода счетчика-делителя 5, как показано на фиг.3б, которые являются результатом логического умножения на элементе И 11 этого сигнала и логической «1» с прямого выхода RS-триггера 3.
Синтез выходного сигнала изображения осуществляется в коммутаторе-смесителе 12 при помощи четырехканальной коммутации составляющих видеосигналов (см. фиг.4 и табл.2).
Когда на первом и втором управляющих входах блока 12 присутствуют логические «0», то на это время открывается канал 1А, а на выход транслируется видеосигнал с первого информационного входа. Если в течение действия на первом управляющем входе логического «0», на втором управляющем входе устанавливается логическая «1», тогда на это время открывается канал 2А, а на выход транслируется видеосигнал со второго информационного входа.
Когда на первом и втором управляющих входах устанавливаются логические «1», то на это время открывается канал 3А, а на выход транслируется видеосигнал со второго информационного входа. Если в течение действия на первом управляющем входе логической «1», на втором управляющем входе присутствует тоже логическая «1», то на это время открывается канал 4А, а на выход транслируется видеосигнал с первого информационного входа.
Синтезированный видеосигнал (см. фиг.3з) обладает расширенным динамическим диапазоном, т.к. по сравнению с прототипом отношение сигнал /шум для слабоосвещенных и темных участков наблюдаемой сцены увеличено, благодаря оптимально выбранному для них на фотомишени времени накопления.
Предположим, что телекамера работает в режиме чересстрочной развертки. Тогда на выходе селектора 4 синхроимпульсов формируются импульсы с периодом полукадров Тп. Счетчик-делитель 5 выполняет деление входной частоты на четыре, т.е. период выходных импульсов будет составлять: Тд2=4Тп (см. фиг.5в). В течение действия высокого уровня этого меандра в датчике 2 будет выполняться не один, а два цикла экспонирования с «длинным» зарядовым накоплением по 100000 мкс для каждого. Аналогично, в течение действия низкого уровня нового меандра в датчике 2 будет совершаться не один, а два цикла экспонирования с «коротким» зарядовым накоплением по 10 мкс. Блок 8 осуществляет задержку входного видеосигнала на два полукадра, т.е. по длительности на два Тп. В остальном работа телекамеры не отличается от ее функционирования в режиме прогрессивной развертки.
При необходимости возвращения телекамеры в режим работы прототипа следует подать импульс положительной полярности на вход «Стоп». В момент совпадения на «R»-входе RS-триггера 3 высокого уровня этого импульса с высоким уровнем тактовых импульсов (КСИ) состояние триггера изменяется. На прямом выходе RS-триггера 3 установится сигнал логического «0», а в датчике 2 будет восстановлено функционирование схемы АРВН. Одновременно будет приостановлено функционирование компараторов 7 и 9, благодаря подаче сигнала логического «0» на их стробирующие входы. На первом и втором управляющих входах коммутатора-смесителя 12 установится логическая комбинация «00», благодаря которой на выход блока будет передаваться с первого информационного входа типовой телевизионный сигнал датчика 2.
В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент №2305376 РФ. MПK H04N 5/225, G08B 13/196. Телевизионная камера для наблюдения в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов / В.М.Смелков // БИ - 2007. - №24.
2. Телевизионные камеры фирмы «ЭВС», каталог, 2005 г.
3. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др. - М.: Радио и связь, 1990.
1. Телевизионная камера для наблюдения в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов, содержащая объектив, последовательно соединенные датчик телевизионного сигнала, селектор синхроимпульсов, счетчик-делитель и коммутатор, а также RS-триггер, первый компаратор, опорный вход которого подключен к пороговому напряжению, и коммутатор-смеситель, причем первый управляющий вход датчика телевизионного сигнала соединен с управляющим входом коммутатора и подключен к прямому выходу RS-триггера, второй управляющий вход датчика телевизионного сигнала - к выходу коммутатора, информационный вход которого подключен к выходу счетчика-делителя, а выход «Видео» датчика телевизионного сигнала - к первому информационному входу коммутатора-смесителя, S-вход RS-триггера является входом «Пуск» телекамеры, R-вход RS-триггера - входом «Стоп» телекамеры, а выход коммутатора-смесителя - выходом «Видео» телекамеры, отличающаяся тем, что в нее введены элемент «И» и последовательно соединенные блок задержки на кадр, состоящий из последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя (АЦП), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) и цифроаналогового преобразователя (ЦАП), второй компаратор и элемент «ИЛИ», при этом выход блока задержки на кадр подключен к второму информационному входу коммутатора-смесителя, первый управляющий вход коммутатора-смесителя подключен к выходу элемента «И», первый и второй входы которого подключены соответственно к прямому выходу RS-триггера и выходу счетчика-делителя, второй управляющий вход коммутатора-смесителя подключен к выходу элемента «ИЛИ», второй вход которого подключен к выходу первого компаратора, стробирующие входы первого и второго компараторов объединены и подключены к прямому выходу RS-триггера, тактовый вход которого подключен к выходу селектора синхроимпульсов, а информационный вход первого компаратора соединен с входом блока задержки на кадр и подключен к выходу датчика телевизионного сигнала, фотомишень которого оптически связана с оптическим кадром объектива.
2. Телевизионная камера по п.1, отличающаяся тем, что при прогрессивной развертке сигнала изображения счетчик-делитель является делителем входной частоты на два, а при чересстрочной развертке - делителем на четыре, при этом блок задержки на кадр в режиме прогрессивной развертки является блоком задержки на два полукадра в режиме чересстрочной развертки.
