Датчик видеосигнала основных цветов для панорамного телевизионного наблюдения цветного изображения

Изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению цветного изображения, которое выполняется при помощи трех датчиков видеосигнала основных цветов (R, G, В) в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места. Техническим результатом является выравнивание разрешающей способности изображения датчика. Результат достигается путем реализации в «кольцевом» фотоприемнике различных по площади светочувствительных элементов и управления зарядовым считыванием в видеосигнале сенсора с одинаковой величиной площади апертуры. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению цветного изображения, которое выполняется при помощи трех датчиков видеосигнала основных цветов (R, G, В) в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать датчик видеосигнала основных цветов [1], оптический вход которого расположен в одном из трех выходов оптической светоделительной призмы, установленной между панорамным объективом и тремя этими датчиками, каждый из которых содержит «кольцевой» фотоприемник, на мишень которого проецируется панорамное оптическое изображение в одном из трех основных цветов, т.е. или в красном - R, или в зеленом - G, или в синем - В, а также последовательно расположенный и связанный с «кольцевым» сенсором блок фотоприемника, выход которого является выходом видеосигнала датчика, при этом «кольцевой» фотоприемник, выполненный по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), имеет кристалл мишени в виде кругового кольца из кремния и состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области «кольцевого» регистра сдвига и преобразователя «заряд - напряжение» (БПЗН), причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, число элементов которого равно числу элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области, при этом блок фотоприемника обеспечивает «кольцевой» растр изображения и формирование на выходе аналогового видеосигнала.

Для прототипа предполагается следующее.

Во-первых, БПЗН «кольцевого» фотоприемника организован по типу «плавающая диффузионная область» [2], а поэтому имеет управляющий вход, обеспечивающий поэлементный сброс напряжения формируемого видеосигнала.

Во-вторых, блок фотоприемника содержит блок «кольцевой» развертки и сигнальный процессор, при этом информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области «кольцевого» фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки - к управляющему входу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, а четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора.

Недостаток датчика прототипа - переменная величина разрешающей способности изображения в пределах кадра, изменяющаяся в сторону уменьшения по направлению к внешней периферии «кольцевого» фотоприемника из-за увеличивающейся величины промежутка (зазора) между его светочувствительными элементами, которые имеют одинаковый показатель по геометрической площади.

Задачей изобретения является выравнивание разрешающей способности изображения датчика путем реализации в «кольцевом» фотоприемнике различных по площади светочувствительных элементов и управления зарядовым считыванием в видеосигнале сенсора с одинаковой величиной площади апертуры.

Поставленная задача в заявляемом датчике видеосигнала основных цветов решается тем, что в устройство его прототипа [1], содержащее «кольцевой» фотоприемник, на мишень которого проецируется панорамное оптическое изображение в одном из трех основных цветов (или в красном - R, или в зеленом - G, или в синем - В), а также блок «кольцевой» развертки и сигнальный процессор, выход которого является выходом видеосигнала датчика, при этом «кольцевой» фотоприемник, выполненный по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), имеет кристалл мишени в виде кругового кольца из кремния и состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, «кольцевого» регистра сдвига и преобразователя «заряд - напряжение» (БПЗН) с организацией «плавающая диффузия», причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, число элементов которого равно числу элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области, при этом информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области «кольцевого» фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки - к управляющему входу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, введен блок формирования апертуры (БФА), информационный вход которого подключен к пятому выходу блока «кольцевой» развертки, синхронизирующий вход БФА - к шестому выходу блока «кольцевой» развертки, а выход БФА - к управляющему входу блока «кольцевой» развертки, при этом на фотоприемной области сенсора вносятся следующие конструкторско-технологические изменения топологического характера, а именно: площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов различны от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига, причем период управляющих импульсов T_r, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением:

где Т_р - период считывания элемента в «кольцевом» фотоприемнике;

n_m - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике равна отношению:

где Δ₁ и Δ_m - соответственно площадь светочувствительного элемента для первой и текущей строк считывания в «кольцевом» фотоприемнике, обеспечивая, благодаря этим признакам, реализацию в выходном видеосигнале сенсора одинаковой площади считывающей апертуры.

Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемый датчик видеосигнала основных цветов отличается тем, что в его «кольцевом» фотоприемнике светочувствительные элементы имеют геометрическую площадь, которая монотонно увеличивается в радиальном направлении на пути к внешней периферии.

При этом при помощи вводимого в его состав БФА реализуется одинаковый показатель площади считывающей апертуры фотоприемника, что обеспечивает одинаковую чувствительность сенсора по всей его мишени и без внесения шумовых потерь для видеосигнала.

Учитывая, что в новой топологии фотоприемника зазоры, т.е. промежутки между светочувствительными элементами по всей мишени, становятся одинаковыми (или близкими к одинаковым) по величине, осуществляется выравнивание параметра разрешающей способности изображения в пределах всего «кольцевого» телевизионного кадра.

Совокупность известных и новых признаков для заявляемого устройства не известна из уровня техники, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.

Выравнивание разрешающей способности изображения выполняется в «кольцевом» растре изображения. Поэтому данное техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого датчика видеосигнала основных цветов для панорамного телевизионного наблюдения цветного изображения; на фиг. 2 приведена схемотехническая организации «кольцевого» фотоприемника из состава этого датчика; на фиг. 3 показан фрагмент этого фотоприемника, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 4 по данным [2, с. 19] представлена структурная схема БПЗН с организацией «плавающая диффузионная область»; на фиг. 5 изображена эпюра выходного сигнала БФА, который выполняет управление апертурой заявляемого «кольцевого» сенсора; на фиг. 6 по данным [3] представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива.

Заявляемый датчик видеосигнала основных цветов (см. фиг. 1-3) содержит в своем составе «кольцевой» фотоприемник 1, блок 2 «кольцевой» развертки, сигнальный процессор 3, выход которого является выходом датчика для R (G или В) видеосигнала, а также БФА 4, при этом «кольцевой» фотоприемник 1 состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области 1-1, «кольцевого» регистра сдвига 1-2 и БПЗН 1-3, причем управляющий вход фотоприемной области 1-1 «кольцевого» фотоприемника подключен к первому выходу блока 2 «кольцевой» развертки, управляющий вход «кольцевого» регистра сдвига 1-2 «кольцевого» фотоприемника - ко второму выходу блока 2 «кольцевой» развертки, управляющий вход БПЗН 1-3 «кольцевого» фотоприемника - к третьему выходу блока 2 «кольцевой» развертки, четвертый выход которого подключен к входу синхронизации сигнального процессора 3, при этом информационный вход БФА 4 подключен к пятому выходу блока 2 «кольцевой» развертки, синхронизирующий вход БФА 4 - к шестому выходу блока 2 «кольцевой» развертки, а выход БФА 4 - к управляющему входу блока 2 «кольцевой» развертки.

Наличие пассивной (неинформативной) области в центре оптического кадра панорамного изображения, см. фиг. 6, подтверждает целесообразность выбора формы фотоприемника 1, как и в прототипе, в пользу кругового кольца.

Следует отметить, что в «кольцевом» фотоприемнике 1 электроды переноса на фотоприемной области 1-1 и в «кольцевом» регистре сдвига 1-2 могут быть выполнены с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца. Несомненно, что это предоставит и определенные преимущества при изготовлении «кольцевого» фотоприемника по технологии ПЗС.

На фиг. 4 показана возможная структурная схема БПЗН «кольцевого» фотоприемника с организацией «плавающая диффузионная область», которая полностью совпадает со схемой, применяемой в настоящее время в матрицах ПЗС для реализации прямоугольной развертки видеосигнала. На этом чертеже приняты следующие обозначения: U_ф1, U_ф2, U_ф3 - напряжения на шинах для трехфазного управления «кольцевым» регистром сдвига 1-2; U_выхз - напряжение на выходном затворе; Д_вых, Д_сбр - выходной и сбрасывающий диоды соответственно.

Перед считыванием информационного заряда очередного элемента (пиксела) в процессе его преобразования в напряжение видеосигнала информационный заряд предыдущего элемента должен быть сброшен в стирающий диод Д_сбр.

Эта процедура осуществляется при помощи управляющих импульсов T_r, называемых часто в литературе импульсами сброса, которые подаются на соответствующую шину управления БПЗН 1-3.

Блок формирования апертуры (БФА) 4 предназначен для управления считывающей апертурой в «кольцевом» фотоприемнике 1 при поэлементном съеме напряжения видеосигнала в БПЗН 1-3. В результате для всех строк фотоприемника обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры при различной от строки к строке площади электродов светочувствительных элементов сенсора.

Эпюра выходного сигнала T_r, вырабатываемого на выходе БФА 4, представлена на фиг. 5. Предполагается, что фотоприемник 1 содержит n «кольцевых» строк. На этой диаграмме первая строка обозначена как Т_с1, а последняя строка - как T_cn.

Управляющие импульсы имеют положительную полярность, малую (короткую) длительность и различный период следования в пределах каждой из «кольцевых» строк.

Период управляющих импульсов для первой «кольцевой» строки обозначен T_r1, а период управляющих импульсов для последней «кольцевой» строки - Τ_rn. Период T_r1 является самым малым и равен периоду считывания элемента Т_р, а период считывания T_rn - самым большим, который равен nT_r.

В физическом плане управление площадью апертуры осуществляется за счет суммирования зарядовых пакетов в соседних элементах каждой текущей «кольцевой» строки сенсора до выполнения процедуры преобразования «заряд - напряжение». Поэтому это зарядовое сложение не может быть дополнительным источником шумов для видеосигнала на выходе заявляемого датчика.

БФА 4 на практике может быть реализован с использованием классического набора технических средств (логических элементов) цифровой электроники. Очевидно, что БФА 4 может быть выполнен в составе блока 2 «кольцевой» развертки.

Остальные блоки заявляемого датчика, а именно: блок 2 «кольцевой» развертки и сигнальный процессор 3, ничем не отличаются от блоков прототипа.

Заявляемый датчик видеосигнала основных цветов для панорамного телевизионного наблюдения цветного изображения (см. фиг. 1-5) работает следующим образом.

Пусть в составе телевизионной камеры (здесь не показано) три таких датчика видеосигнала, воспринимающих в качестве входного оптического изображения соответственно изображение R красного цвета, G зеленого цвета и В синего цвета, располагаются на выходах оптической светоделительной призмы, которая установлена за панорамным объективом и связана с ним оптически. Отметим, что конструкция светоделительной призмы совершенно аналогична той, которая используется в трехматричных цветных камерах вещательного телевидения, см., например, [4, с. 154].

Каждый из трех датчиков видеосигнала R, G и В реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-1 с последующим поэлементным считыванием зарядов в «кольцевом» регистре 1-2 и формированием на выходе БПЗН 1-3 напряжения видеосигнала соответствующей цветовой компоненты в аналоговой форме.

При этом в интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности панорамного сюжета в светочувствительных элементах (пикселах) фотоприемной области 1-1.

В течение кратковременного промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки открывается фотозатвор, и заряды всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, переносятся (за один шаг поворота) в экранированные от света пикселы, расположенные на той же области 1-1.

Затем фотозатвор закрывается, и в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода по строке новыми зарядами «кольцевой» регистр 1-2.

Но в отличие от прототипа [1] процесс текущего поэлементного преобразования «заряд - напряжение, выполняемый в БПЗН 1-3, осуществляется с переменной величиной периода сброса предыдущего зарядового пакета в стирающий диод.

Этот период, обозначенный как T_r, в пределах «кольцевого» кадра меняется по величине от самого малого (T_r1) для первой строки до самого большого (T_rn) для последней строки.

Благодаря тому что площадь светочувствительных элементов для «кольцевых» строк на фотоприемной области 1-1 априори изменяется в этом направлении пропорционально, но в сторону уменьшения, обеспечивается одинаковая величина площади считывающей апертуры сенсора.

Величина же промежутка между отдельными апертурными площадками («апертурными пятнами») за счет новой топологии фотоприемника обеспечивается практически одинаковой по всей площади мишени и равной величине зазоров между светочувствительными элементами сенсора.

Следовательно, для каждого из трех датчиков видеосигнала основных цветов будет достигаться выравнивание параметра разрешающей способности непосредственно в фотоприемнике.

Далее, используя видеосигналы R, G и В от этих трех датчиков, через интерфейс телевизионной камеры формируют аналоговый композитный видеосигнал цветного изображения.

Как известно, см., например [4, с. 155], для его получения нужно иметь сигнал яркости (Y), сигнал цветовой разности красного (R-Y) и сигнал цветовой разности синего (В-Y). Все необходимое для этого уже есть.

Сигнал яркости определяется выражением:

Сигнал цветовой разности красного:

Сигнал цветовой разности синего:

Эти два цветоразностных сигнала совместно с сигналом яркости замешиваются в сигнал CVBS¹ (CVBS - аббревиатура от английских слов: «composite video bar signal», т.е. полный видеосигнал) в системе PAL.

Затем аналоговый композитный видеосигнал цветного изображения подвергается оцифровке, приобретая, как и на выходе телевизионной камеры прототипа [1], цифровую форму.

Далее, как и в устройстве компьютерной системы прототипа [1], цифровой композитный видеосигнал цветного изображения передается на сервер, где выполняется запись видеоинформации в его оперативную память на кадр.

В сервере компьютерной системы реализуется преобразование «кольцевого» кадра цветного изображения в соответствующие «прямоугольные» кадры путем считывания видеосигнала из оперативной памяти, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:

где γ_г - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения.

Пусть при проектировании телевизионно-компьютерной системы разработчиком заложено, что текущий угол поля зрения (γ_г) предъявляемого оператору панорамного изображения составляет 60° по горизонтали.

Тогда по соотношению (6) «кольцевой» кадр должен соответствовать шести «прямоугольным» кадрам (n=6). Это означает, что имеем 6 условных областей в пространстве «кольцевого» кадра.

Следовательно, каждый «кольцевой» кадр записи изображения конвертируется в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде текущей последовательности операторам этой компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения.

Техническим результатом заявляемого датчика видеосигнала можно считать получение одинакового показателя четкости изображения R, G и В цветов по всему пространству «кольцевого» кадра.

В настоящее время все элементы структурной схемы датчика видеосигнала основных цветов для панорамного телевизионного наблюдения цветного изображения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

Источники информации

1. Патент РФ №2545519. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения и организация фотоприемника для его реализации / В.М. Смелков // 2015. - Б.И. №10.

2. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. - «Радио и связь», 1986.

3. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // 2002. - Б.И. №20.

4. Владо Дамьяновски. CTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии / Перевод с англ. М.: ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.

1. Датчик видеосигнала основных цветов для панорамного телевизионного наблюдения цветного изображения, содержащий «кольцевой» фотоприемник, на мишень которого проецируется панорамное оптическое изображение в одном из трех основных цветов (или в красном - R, или в зеленом - G, или в синем - B), а также блок «кольцевой» развертки и сигнальный процессор, выход которого является выходом видеосигнала датчика, при этом «кольцевой» фотоприемник, выполненный по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), имеет кристалл мишени в виде кругового кольца из кремния и состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области «кольцевого» регистра сдвига и преобразователя «заряд - напряжение» (БПЗН) с организацией «плавающая диффузия», причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, число элементов которого равно числу элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области, при этом информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области «кольцевого» фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки - к управляющему входу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, отличающийся тем, что введен блок формирования апертуры (БФА), информационный вход которого подключен к пятому выходу блока «кольцевой» развертки, синхронизирующий вход БФА - к шестому выходу блока «кольцевой» развертки, а выход БФА - к управляющему входу блока «кольцевой» развертки, при этом на фотоприемной области сенсора площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов различны от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига, а период управляющих импульсов T_r, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением:

где T_p - период считывания элемента в «кольцевом» фотоприемнике;

n_m - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике равна отношению:

где Δ₁ и Δ_m - соответственно площадь светочувствительного элемента для первой и текущей строк считывания в «кольцевом» фотоприемнике, обеспечивая реализацию в выходном видеосигнале фотоприемника одинаковой площади считывающей апертуры.

2. Устройство датчика по п. 1, отличающееся тем, что в «кольцевом» фотоприемнике электроды зарядового переноса на фотоприемной области и в «кольцевом» регистре сдвига выполнены с геометрической формой в виде части кругового кольца.

3. Устройство датчика по п. 1, отличающееся тем, что БФА выполнен в составе блока «кольцевой» развертки.