Устройство формирования сигналов тепловизионного изображения
Владельцы патента RU 2397618:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Калининградский пограничный институт Федеральной службы безопасности Российской Федерации" (RU)
Изобретение относится к технике телевидения и может использоваться для анализа и исправления недостатков изображений. Устройство содержит матрицу ПЗС, блок усреднения и регистр сдвига, источник постоянного напряжения, синхрогенератор, генератор импульсов, элемент ИЛИ, блок вычитания, видеоконтрольное устройство, генератор наносекундных импульсов, инвертор, коммутатор зарядов, сумматор зарядов. Технический результат - повышение точности формирования сигналов изображения за счет коррекции выходного сигнала с учетом переполнения ячеек схемы считывания. 1 ил.
Изобретение относится к технике телевидения и может использоваться для анализа и исправления недостатков изображений.
В качестве метода повышения четкости и контраста изображений в устройствах первичной обработки изображений может использоваться метод нерезкого маскирования [1].
Известно устройство, содержащее датчик видеосигналов четкого изображения и датчик видеосигналов расфокусированного изображения, выходы которых соединены с входами вычитающего каскада [2], однако оно не обеспечивает полного подавления фоновой составляющей при обработке тепловизионных сигналов. Это объясняется несоответствием зарядовой емкости приемников теплового излучения и ячеек схемы считывания, реализуемой, как правило, на приборах с зарядовой связью (ПЗС), что приводит к переполнению последних и, как следствие, к искажениям сигналов изображений в процессе первичной обработки.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство формирования сигналов изображения [3]. Устройство обеспечивает повышение точности формирования сигналов изображения за счет использования режима скользящей расфокусировки.
Прототип содержит матрицу ПЗС, состоящую из секции накопления, секции памяти и выходного регистра. Под действием последовательности импульсов, формируемых синхрогенератором, осуществляет преобразование сигналов, поступающих в секцию накопления, в зарядовые пакеты, которые с выхода выходного регистра поступают на второй вход блока вычитания и на информационный вход регистра сдвига. Расфокусированный по горизонтали и по вертикали (что равносильно выполнению низкочастотной фильтрации) сигнал с выхода регистра сдвига под действием последовательностей импульсов, формируемых синхрогенератором, поступает на первый вход блока вычитания, где он вычитается из исходного сигнала, подаваемого на второй вход блока вычитания. Это эквивалентно осуществлению операции регулируемой двумерной фильтрации верхних частот, что приводит к повышению контрастности изображения, получаемого в видеоконтрольном блоке, синхронизация которого осуществляется с седьмого выхода синхрогенератора. С помощью блока задержки, генератора наносекундных импульсов, инвертора и элемента ИЛИ обеспечивается подача импульсов скользящей расфокусировки по горизонтали в регистр сдвига после каждого сдвига зарядовых пакетов. При этом короткий импульс скользящей расфокусировки по горизонтали поступает через инвертор на вход разрешения записи регистра сдвига. В результате чего на время действия этого импульса запрещается ввод информации в регистр сдвига. Импульс с выхода генератора наносекундных импульсов подается через элемент ИЛИ на вход второй фазы регистра сдвига в момент совпадения двух его других фазовых импульсов. В результате под всеми затворами регистра сдвига на время длительности импульса скользящей расфокусировки по горизонтали образуется общая потенциальная яма, что вызывает ненаправленное кратковременное растекание зарядовых пакетов вдоль регистра сдвига, что обеспечивает последовательную скользящую расфокусировку сигнала.
Недостатком прототипа является искажение сигнала, возникающее вследствие несоответствия возможностей накопления заряда приемников теплового излучения и ПЗС структур и из-за уменьшения зарядовой емкости [4] ячеек ПЗС при больших значениях амплитуд входного сигнала.
Рассматривая изменение напряжения, прикладываемого к ячейке ПЗС [4], можно записать
где n0 - поверхностная концентрация носителей заряда, м-1;
ln и lок - толщина слоев полупроводника и окисла, м;
εn и εок - диэлектрическая проницаемость полупроводника и окисла.
С учетом того, что изменение заряда в ячейке соответствует изменению толщины обедненного слоя dq=en0dl, получим
где Соб - поверхностная емкость обедненного слоя, 
;
Сок - поверхностная емкость окисла, 
.
Представив общую емкость ячейки ПЗС в виде последовательного включения Соб и Сок, с учетом (2) зависимость емкости ячейки от приложенного напряжения примет вид:
Таким образом, при изменении приложенного напряжения зарядовая емкость ячейки ПЗС изменяется.
Цель изобретения - повышение точности формирования сигналов изображения за счет коррекции выходного сигнала с учетом переполнения ячеек схемы считывания.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве формирования сигналов тепловизионного изображения используется матрица, которая имеет систему защиты от блуминга (стоки переполнения) с отводом избыточного заряда во внешнюю цепь. При уменьшении потенциала фазной шины, под электродами которой хранятся зарядовые пакеты, в цепи стока переполнения появляется ток, соответствующий значениям заряда переполнения [5].
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена структурная схема предлагаемого устройства формирования сигналов тепловизионного изображения.
Устройство формирования сигналов тепловизионного изображения содержит матрицу 1 ПЗС, которая имеет систему защиты от блуминга, состоящую из секции 2 накопления, секции 3 памяти и выходного регистра 4, синхрогенератор 5, регистр 6 сдвига, блок 7 вычитания, видеоконтрольное устройство 8, блок 9 усреднения, выполненный на основе ПЗС и содержащий затворы 10, которые объединены в две фазы, стоп-каналы 11, источник 12 постоянного напряжения, генератор 13 прямоугольных импульсов, элемент 14 ИЛИ, блок 15 задержки, генератор 16 наносекундных импульсов, инвертор 17, коммутатор 18 зарядов и сумматор 19 зарядов. Регистр 6 сдвига выполнен на общей с блоком 9 усреднения подложке, выход источника 12 постоянного напряжения соединен с первой фазой блока 9 усреднения, первый выход синхрогенератора 5 соединен с управляющим входом секции 2 накопления, с управляющим входом коммутатора 18 зарядов, вход которого подключен к стоку переполнения секции 2 накопления, второй выход синхрогенератора 5 соединен с управляющими входами секции 3 памяти. Третий, четвертый и пятый выходы синхрогенератора 5 соединены с фазовыми входами выходного регистра 4 матрицы 1 ПЗС, третий и пятый выходы также соединены с первым и третьим фазовыми входами регистра 6 сдвига соответственно. Третий выход синхрогенератора 5 через блок 15 задержки подключен к управляющему входу генератора 16 наносекундных импульсов, выход которого подключен ко входу инвертора 17, выход которого соединен со входом разрешения записи регистра 6 сдвига и с первым входом элемента 14 ИЛИ, второй вход которого соединен с четвертым выходом синхрогенератора 5. Шестой и седьмой выходы синхрогенератора 5 соединены соответственно со входом генератора 13 прямоугольных импульсов, выход которого подключен ко второй фазе блока 9 усреднения, и с управляющим входом видеоконтрольного устройства 8. Выход выходного регистра 4 матрицы 1 ПЗС соединен с добавленным в устройство сумматором 19 зарядов, второй вход которого соединен с выходом добавленного коммутатора 18 зарядов, а его выход соединен с информационным входом регистра 6 сдвига и со вторым входом блока 7 вычитания, первый вход которого подключен к выходу регистра 6 сдвига, а выход блока 7 вычитания подключен ко входу видеоконтрольного устройства 8.
Устройство работает следующим образом.
Матрица 1 ПЗС под действием последовательности импульсов, формируемых синхрогенератором 5, осуществляет считывание тепловизионного изображения и формирование зарядовых пакетов, которые при отсутствии переполнения, с выхода выходного регистра 4 матрицы 1 ПЗС поступают без изменения через сумматор 19 зарядов на второй вход блока 7 вычитания и на информационный вход регистра 6 сдвига. Расфокусированный по горизонтали и по вертикали (что равносильно выполнению низкочастотной фильтрации) сигнал изображения с выхода регистра 6 сдвига под действием последовательностей импульсов, формируемых синхрогенератором 5 и поступающих на входы первой, второй и третьей фаз регистра 6 сдвига, поступает на первый вход блока 7 вычитания, где он вычитается из сигнала исходного изображения, подаваемого на второй вход блока 7 вычитания. Это эквивалентно осуществлению операции регулируемой двумерной фильтрации верхних пространственных частот, что приводит к повышению контрастности изображения, получаемого в видеоконтрольном устройстве 8, синхронизация которого осуществляется с первого выхода синхрогенератора 5.
В момент действия импульса горизонтальной расфокусировки пропорционально разбросу емкостей затворов описываемое устройство обеспечивает с помощью блока 15 задержки генератора 16 наносекундных импульсов, инвертора 17 и элемента 14 ИЛИ подачу импульсов скользящей расфокусировки по горизонтали в регистр 6 сдвига после каждого сдвига зарядовых пакетов. При этом короткий импульс скользящей расфокусировки по горизонтали поступает через инвертор 17 на вход разрешения записи регистра 6 сдвига, в результате чего на время действия этого импульса запрещается ввод информации в регистр 6 сдвига. Импульс с выхода генератора 16 наносекундных импульсов подается через элемент 14 ИЛИ на вход второй фазы регистра 6 сдвига в момент совпадения двух его других фазовых импульсов. В результате под всеми затворами регистра 6 сдвига на время длительности импульса скользящей расфокусировки по горизонтали образуется общая потенциальная яма, что вызывает ненаправленное кратковременное растекание зарядовых пакетов вдоль регистра 6 сдвига. Таким образом производится одновременное перемещение сигнала в регистре 6 сдвига и его последовательная скользящая расфокусировка. Каждая из выборок сигнала последовательно расфокусируется на каждой из емкостей независимо от номера выборки.
В случае переполнения ячеек ПЗС с выхода коммутатора 18 зарядов под действием управляющих импульсов синхрогенератора 5 на первый вход сумматора 19 зарядов поступает сигнал ΔQ, соответствующий величине избыточного заряда
где Qсиг - величина зарядового пакета переданного от приемника теплового излучения, Кл;
Qпор - пороговая емкость ячейки схемы считывания, Кл.
В этом случае на информационный вход регистра 6 сдвига и на второй вход блока 7 вычитания подается восстановленный сигнал тепловизионного изображения. Поступление от стока переполнения значения заряда, соответствующего обрабатываемому участку изображения, обеспечивается за счет синхрогенератора.
Предлагаемое устройство формирования сигналов тепловизионного изображения позволяет компенсировать искажения тепловизионных сигналов, возникающие вследствие несоответствия возможностей накопления заряда приемников теплового излучения и ПЗС структур, и из-за уменьшения зарядовой емкости ячеек ПЗС при больших значениях амплитуд входного сигнала за счет восстановления зарядовых пакетов.
Источники информации
1. Гонсалес Р. Цифровая обработка изображений / Р.Гонсалес. Р.Вудс. // Пер. с англ. под ред. П.А.Чичоа. - М.: Техносфера, 2005. - 1072 с.
2. А.С. №1332561 СССР, МКИ4 H04N 5/335. Устройство формирования сигналов изображения / С.И.Мирошниченко, А.В.Киселев. - №4020447/24-09; Заявл. 11.02.86; Опубл. 23.08.87, Бюл. №31. - 3 с.: ил.
3. А.С. №1483673 СССР, МКИ4 H04N 5/335. Устройство формирования сигналов изображения / С.И.Мирошниченко, Е.В.Куренной. - №4280314/24-09; Заявл. 09.06.87; Опубл. 30.05.89, Бюл. №20. - 3 с.: 2 л. ил.
4. Ковтонюк Н.Ф. Фоточувствительные МДП-приборы для преобразования изображений / Н.Ф.Ковтонюк, Е.Н.Сальников. (Массовая библиотека инженера «Электроника»). - М.: Радио и связь, 1990. - 160 с.: ил.
5. Пат. №2013022 RU МКИ5 H04N 5/335. Способ формирования сигнала функции распределения яркости изображения, устройство его осуществления / А.В.Богословский; В.Ю.Бойков; А.В.Фомичев - №4755564/09; Заявл. 03.11.89; Опубл. 15.05.94, Бюл. №9. - 3 с.: ил.
Устройство формирования сигналов тепловизионного изображения, содержащее матрицу ПЗС, регистр сдвига и блок усреднения, выполненные на общей подложке, источник постоянного напряжения, синхрогенератор, генератор импульсов, элемент ИЛИ, блок вычитания, видеоконтрольное устройство, генератор наносекундных импульсов и инвертор, где выход источника постоянного напряжения соединен с первой фазой блока усреднения, первый выход синхрогенератора соединен с управляющим входом секции накопления, второй выход синхрогенератора соединен с управляющими входами секции памяти, третий, четвертый и пятый выходы синхрогенератора соединены с фазовыми входами выходного регистра матрицы ПЗС, третий и пятый выходы также соединены с первым и третьим фазовыми входами регистра сдвига соответственно, третий выход синхрогенератора через блок задержки подключен к управляющему входу генератора наносекундных импульсов, выход которого подключен ко входу инвертора, выход которого соединен со входом разрешения записи регистра сдвига и с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с четвертым выходом синхрогенератора, шестой и седьмой выходы синхрогенератора соединены соответственно со входом генератора прямоугольных импульсов, выход которого подключен ко второй фазе блока усреднения, и с управляющим входом видеоконтрольного устройства, отличающееся тем, что матрица ПЗС имеет систему защиты от переполнения, выход выходного регистра которой соединен с добавленным в устройство сумматором зарядов, второй вход которого соединен с выходом добавленного коммутатора зарядов, а его выход соединен с информационным входом регистра сдвига и со вторым входом блока вычитания, первый вход которого подключен к выходу регистра сдвига, а выход блока вычитания подключен к входу видеоконтрольного устройства, за счет чего на вход регистра сдвига и блок вычитания подается для дальнейшей обработки восстановленный сигнал изображения.
