Вид РИД
Изобретение
Предлагаемое изобретение относится к телекамерам, выполненным на основе преобразователя «свет - сигнал» в виде матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС) и работающим в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов. Эти условия означают, что в поле зрения телекамеры могут находиться одновременно сильно- и слабоосвещенные объекты и/или объекты с резким отличием по яркости.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телекамеру [1], содержащую последовательно расположенные и оптически связанные объектив и матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной секции, первого горизонтального регистра, первого блока преобразования заряда в напряжение (БПЗН), разделительного электрода, секции памяти, второго горизонтального регистра и второго БПЗН, причем площадь затвора S1 полевого транзистора, выполняющего сбор зарядовых носителей в первом БПЗН, выполнена по критерию минимального внесения в сигнал изображения собственных шумов, а площадь затвора S2 аналогичного полевого транзистора во втором БПЗН - по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования, при этом S1<S2; а также генератор управляющих импульсов, состоящий из последовательно соединенных временного контроллера (ВК) и первого преобразователя уровней (ПУ), а также второго ПУ; сигнальный процессор, содержащий первый и второй видеоусилители, а также формирователь комбинированного изображения (ФКИ); первый блок задержки на кадр (БЗК) и второй БЗК, при этом первый выход первого ПУ подключен соответственно к управляющим входам фотоприемной секции и секции памяти, второй выход первого ПУ - соответственно к управляющим входам первого и второго горизонтальных регистров, а выход второго ПУ - к управляющему входу разделительного электрода, выход первого БПЗН подключен через первый видеоусилитель соответственно к первому информационному входу ФКИ и к входу первого БЗК, а выход второго БПЗН подключен через второй видеоусилитель соответственно ко второму информационному входу ФКИ и к входу второго БЗК; выход первого БЗК подключен к третьему информационному входу ФКИ, а выход второго БЗК - к четвертому информационному входу ФКИ, вход синхронизации которого подключен ко второму выходу ВК, третий выход которого подключен к управляющему входу сигнального процессора, а первый и второй управляющие входы ВК - соответственно к первому и второму выходам управления ФКИ, третий выход управления которого подключен к входу второго ПУ, причем первый управляющий ФКИ является входом «Пуск» телекамеры, второй управляющий вход ФКИ - входом «Стоп» телекамеры, а информационный выход ФКИ - выходом «Видео» телекамеры.
Для телекамеры прототипа формирователь комбинированного изображения (ФКИ) содержит RS-триггер и последовательно соединенные счетчик-делитель и коммутатор, первый и второй компараторы, опорные входы которых подключены к пороговому напряжению, а также элемент «ИЛИ», элемент «И» и коммутатор-смеситель, причем прямой выход RS-триггера подключен соответственно к управляющему входу коммутатора, первому входу элемента «И» и к соединенным между собой стробирующим входам компараторов, а тактовый вход RS-триггера - к входу счетчика-делителя, выход второго компаратора подключен к первому входу элемента «ИЛИ», второй вход которого подключен к выходу первого компаратора; второй вход элемента «И» подключен к выходу счетчика-делителя, а выход элемента «И» - к первому управляющему входу коммутатора-смесителя, второй управляющий вход которого подключен к выходу элемента «ИЛИ», первый информационный вход коммутатора-смесителя к информационному входу первого компаратора, прямой выход RS-триггера является первым выходом управления ФКИ, выход коммутатора - вторым выходом управления ФКИ, выход элемента «И» - третьим выходом управления ФКИ, S-вход RS-триггера - первым управляющим входом ФКИ, R-вход RS-триггера - вторым управляющим входом ФКИ, тактовый вход RS-триггера - входом синхронизации ФКИ, информационный вход первого компаратора - первым информационным входом ФКИ, второй информационный вход коммутатора-смесителя - вторым информационным входом ФКИ, третий информационный вход коммутатора-смесителя подключен к информационному входу второго компаратора и является третьим информационным входом ФКИ, четвертый информационный вход коммутатора-смесителя - четвертым информационным входом ФКИ, а выход коммутатора-смесителя - информационным выходом ФКИ.
Телекамера прототипа обеспечивает расширение динамического диапазона градаций яркости формируемого изображения путем оптимизации в матрице ПЗС преобразования «заряд - напряжение».
Для структурной схемы прототипа может быть реализовано укрупнение и объединение блоков, состоящее в следующем:
- первый и второй ПУ образуют блок преобразования уровней (БПУ);
- ФКИ содержит в совокупности два больших блока: коммутатор-смеситель и блок управления коммутацией.
Недостаток прототипа - расплывание (блюминг) выходного изображения из-за ограниченных возможностей матрицы ПЗС для устранения избыточных зарядов, возникающих в условиях регистрации больших перепадов освещенности и/или яркости сцены.
Задача изобретения - исключение блюминга видеосигнала при априорно заданной области высокой облученности фотоприемника.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телекамеру, которая содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив и матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной секции, первого горизонтального регистра, первого БПЗН, разделительного электрода, секции памяти, второго горизонтального регистра и второго БПЗН, причем площадь затвора S1 полевого транзистора, выполняющего сбор зарядовых носителей в первом БПЗН, выполнена по критерию минимального внесения в сигнал изображения собственных шумов, а площадь затвора S2 аналогичного полевого транзистора во втором БПЗН - по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования, при этом S1<S2; a также генератор управляющих импульсов, состоящий из последовательно соединенных ВК и БПУ; сигнальный процессор, содержащий первый и второй видеоусилители, а также ФКИ, состоящий из последовательно соединенных блока управления коммутацией и коммутатора-смесителя, причем первый информационный вход блока управления коммутацией, соединенный с первым информационным входом коммутатора-смесителя, является первым информационным входом ФКИ, второй информационный вход коммутатора-смесителя - вторым информационным входом ФКИ, второй информационный вход блока управления коммутацией, соединенный с третьим информационным входом коммутатора-смесителя - третьим информационным входом ФКИ, четвертый информационный вход коммутатора-смесителя - четвертым информационным входом ФКИ, вход синхронизации блока управления коммутацией - входом синхронизации ФКИ, первый выход управления блока управления коммутацией - первым выходом управления ФКИ, второй выход управления блока управления коммутацией - вторым выходом управления ФКИ, третий выход управления блока управления коммутацией, соединенный со вторым управляющим входом коммутатора-смесителя, - третьим выходом управления ФКИ, а выход коммутатора-смесителя - информационным выходом ФКИ; а также первый и второй БЗК, при этом первый выход БПУ подключен соответственно к управляющим входам фотоприемной секции и секции памяти, второй выход БПУ - соответственно к управляющим входам первого и второго горизонтальных регистров, а третий выход БПУ - к управляющему входу разделительного электрода, выход первого БПЗН подключен через первый видеоусилитель соответственно к первому информационному входу ФКИ и к входу первого БЗК, а выход второго БПЗН подключен через второй видеоусилитель соответственно ко второму информационному входу ФКИ и к входу второго БЗК, выход первого БЗК подключен к третьему информационному входу ФКИ, а выход второго БЗК - к четвертому информационному входу ФКИ, вход синхронизации которого подключен ко второму выходу ВК, третий выход которого подключен к управляющему входу сигнального процессора, а первый и второй управляющие входы ВК - соответственно к первому и второму выходам управления ФКИ, третий выход управления которого подключен ко второму входу БПУ, причем первый управляющий ФКИ является входом «Пуск» телекамеры, второй управляющий вход ФКИ - входом «Стоп» телекамеры, а информационный выход ФКИ - выходом «Видео» телекамеры, введены формирователь сигнала «окошко» и соединенные между собой последовательно блок управления ячейкой (БУЯ) и выполненная на основе электрохромного прибора светорегулирующая ячейка, которая расположена в заднем отрезке объектива, а в ФКИ введены элемент «И» и элемент «ИЛИ», при этом вход синхронизации формирователя сигнала «окошко» подключен к третьему выходу ВК, а выход формирователя сигнала «окошко» - к третьему управляющему входу ФКИ, которым является первый вход его элемента «И», второй вход которого подключен к четвертому управляющему входу ФКИ, а выход элемента «И» - к первому входу элемента «ИЛИ», второй вход которого подключен к четвертому выходу управления блока управления коммутацией, а выход элемента «ИЛИ» подключен ко второму управляющему входу коммутатора-смесителя, причем первый управляющий вход БУЯ подключен к дополнительному выходу ВК, второй управляющий вход БУЯ - к третьему выходу управления ФКИ, а третий управляющий вход БУЯ - к четвертому управляющему входу ФКИ, который является входом «Перегрузка/Норма» телекамеры, при этом пространственное положение и геометрические размеры светорегулирующей ячейки соответствуют временному размещению в растре и параметрам в единицах времени, установленным для сигнала «окошко».
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая телекамера отличается следующими признаками:
- наличием в ее составе новых блоков, в том числе: формирователя сигнала «окошко», блока управления ячейкой (БУЯ) и самой светорегулирующей ячейки;
- наличием новых блоков, а именно: элемента «И» и элемента «ИЛИ» в составе ФКИ;
- наличием новых связей между новыми блоками и новых связей между новыми блоками и отдельными блоками прототипа;
- формой выполнения светорегулирующей ячейки в части ее геометрических размеров;
- пространственным положением светорегулирующей ячейки относительно объектива.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
В предлагаемом решении в «окне» кадра - априорно заданной в пространстве области сверхвысокой (предельной) облученности на фотомишени матрицы ПЗС - гарантируется неискаженный уровень зарядового рельефа для этой площади. Одновременно исключается воздействие предельной облученности на процесс накопления зарядов на остальной площади фотомишени.
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 - структурная схема блока управления коммутацией; на фиг.3 - функциональная схема технологической организации матрицы ПЗС; на фиг.4 - один из возможных вариантов выполнения электрической схемы коммутатора-смесителя; на фиг.5 - временная диаграмма, поясняющая работу телекамеры; на фиг.6 - пример выполнения электрической схемы коммутатора (в составе блока управления коммутацией); на фиг.7 - структурная схема блока управления ячейкой (БУЯ); на фиг.8 - эпюры сигналов, поясняющих работу БУЯ; на фиг.9 и 10 - соответственно конструкция и типовая характеристика пропускания светорегулирующей ячейки; на фиг.11 - временная диаграмма, поясняющая работу счетчика-делителя.
Заявляемая телевизионная камера (см. фиг.1), содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1, светорегулирующую ячейку 10 и матрицу 2 ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной секции 2-1, первого выходного регистра 2-2, первого БПЗН 2-3, разделительного электрода 2-4, секции памяти 2-5, второго выходного регистра 2-6 и второго БПЗН 2-7; генератор 3 управляющих импульсов, состоящий из последовательно соединенных ВК 3-1 и БПУ 3-2; сигнальный процессор 4, содержащий первый видеоусилитель 4-1 и второй видеоусилитель 4-2; ФКИ 5, содержащий последовательно соединенные блок 5-1 управления коммутацией и коммутатор-смеситель 5-2, а также элемент «И» 5-3 и элемент «ИЛИ» 5-4, причем информационный выход ФКИ 5 является выходом «Видео» телекамеры, первый информационный вход блока 5-1, соединенный с первым информационным входом коммутатора-смесителя 5-2, - первым информационным входом ФКИ 5, второй информационный вход коммутатора-смесителя 5-2 - вторым информационным входом ФКИ 5, второй информационный вход блока 5-1, соединенный с третьим информационным входом коммутатора-смесителя 5-2 - третьим информационным входом ФКИ 5, четвертый информационный вход коммутатора-смесителя 5-2 - четвертым информационным входом ФКИ 5, вход синхронизации блока 5-1 - входом синхронизации ФКИ 5, первый выход управления блока 5-1 - первым выходом управления ФКИ 5, второй выход управления блока 5-1 - вторым выходом управления ФКИ 5, третий выход управления блока 5-1, соединенный со вторым управляющим входом коммутатора-смесителя 5-2, - третьим выходом управления ФКИ 5, а выход коммутатора-смесителя 5-2 - информационным выходом ФКИ 5, при этом первый управляющий ФКИ 5 является входом «Пуск» телекамеры, второй управляющий вход ФКИ 5 - входом «Стоп» телекамеры, первый вход элемента «И» 5-3 подключен к третьему управляющему входу ФКИ 5, второй вход элемента «И» 5-3 - к четвертому управляющему входу ФКИ 5, который является входом «Перегрузка/Норма» телекамеры; выход элемента «И» 5-3 подключен к первому входу элемента «ИЛИ» 5-4, второй вход которого подключен к четвертому выходу управления блока 5-1, а выход элемента «ИЛИ» 5-4 - ко второму управляющему входу коммутатора-смесителя 5-2; первый БЗК 6, второй БЗК 7, формирователь 8 сигнала «окошко» и блок управления ячейкой (БУЯ) 9, при этом вход синхронизации формирователя 8 сигнала «окошко» подключен к третьему выходу ВК 3-1, а выход формирователя 8 - к третьему управляющему входу ФКИ 5, первый управляющий вход БУЯ 9 подключен к дополнительному выходу ВК 3-1, второй управляющий вход БУЯ 9 - к третьему выходу управления ФКИ, а третий управляющий вход БУЯ 9 - к четвертому управляющему входу ФКИ 5, а выход БУЯ 9 соединен с ячейкой 10.
На фиг.1 показано, что команды управления на входы «Пуск», «Стоп» и «Перегрузка/Норма» телекамеры могут быть поданы от компьютера 12 по жилам кабеля линии связи 11. По этой линии связи осуществляется и соединение выхода «Видео» телекамеры с-входом «Видео» на компьютере.
Светорегулирующая ячейка 10 предназначена для управляемого скачкообразного изменения облученности фотомишени матрицы ПЗС и может быть выполнена по технологии электрохромного прибора [2].
Ячейка 10 (см. фиг.9) представляет собой два плоскопараллельных стекла толщиной 2,5 мм, соединенные между собой в кювету так, что между внутренними поверхностями стекол образован зазор порядка 0,1-0,2 мм, заполненный электрохромным материалом ЭХМ-11. Внутренние поверхности стекол покрыты токопроводящим покрытием и образуют электроды, выводы которых расположены снаружи ячейки.
Световая характеристика ячейки 10 (см. фиг.10) определяется свойствами электрохромной жидкости. Изменение коэффициента пропускания от τmax (70%) до τmin (1÷1,5%) составляет для большинства ячеек величину τmax/τmin=70÷150 при подаче на выводы постоянного напряжения U, величина которого составляет около 1,2 В.
Важно отметить, что физическое быстродействие изменения коэффициента пропускания такой ячейки позволяет обеспечить управление параметром с частотой 50 Гц.
В предлагаемом решении пространственное положение и геометрические размеры ячейки соответствуют временному размещению в растре и параметрам в единицах времени, установленным для сигнала «окошко».
Как показано на фиг.1, ячейка 10 установлена в заднем отрезке объектива 1, но по соображениям конструкторского решения телекамеры может быть установлена на его входе. К этому следует добавить, что при проектировании оптической схемы телекамеры целесообразно рассмотреть вопрос о технологической возможности объединения (интегрирования) ячейки и объектива путем создания монолитного оптического блока.
Блок управления ячейкой (БУЯ) 9 предназначен для формирования управляющего электрического сигнала с целью скачкообразного изменения коэффициента пропускания ячейки 10 в заданные промежутки по времени.
Возможная структурная схема БУЯ 9 (см. фиг.7) содержит последовательно соединенные элемент «И-НЕ» 9-1, элемент «И» 9-3 и преобразователь уровней (ПУ) 9-4, при этом первый вход элемента «И-НЕ» 9-1 является первым управляющим входом БУЯ, второй вход элемента «И-НЕ» 9-1 подключен к выходу элемента «НЕ» 9-2, вход которого является вторым управляющим входом БУЯ, второй вход элемента «И» 9-3 является третьим управляющим входом БУЯ, а выход ПУ 9-4 - выходом БУЯ.
На фиг.8 представлены временные диаграммы сигналов, подаваемых на все три управляющих входа, промежуточных сигналов формирования и сигнала на выходе БУЯ 9.
Эпюра 8а - сигнал на втором управляющем входе.
Эпюра 8б - сигнал на первом управляющем входе.
Эпюра 8в - сигнал на выходе элемента «НЕ» 9-2.
Эпюра 8г - сигнал на выходе элемента «И-НЕ» 9-1.
Эпюра 8д - сигнал на третьем управляющем входе.
Эпюра 8е - сигнал на выходе.
Необходимо добавить, что сигнал на первом управляющем входе БУЯ 9, вырабатываемый на дополнительном выходе временного контроллера 3-1, определяет в смежных кадрах длительность «короткого» и «длинного» накопления фотоприемника.
Длительность «короткого» накопления на фиг.8б обозначена как Тн2, а длительность «длинного» накопления - Тн1.
Элемент «И-НЕ» 9-1, элемент «НЕ» 9-2 и элемент «И» 9-3 являются логическими элементами однозначного понимания, выполненными по технологии ТТЛ или КМОП (см., например, [3]).
Преобразователь уровней ПУ 9-4 обеспечивает преобразование уровней сигнала на выходе элемента «И» 9-3 в уровни сигналов, необходимые для управления ячейкой 10, а именно: низкого логического уровня на входе в уровень U1 на выходе и соответственно высокого логического уровня на входе в уровень U2 на выходе.
Отметим, что пунктирными линиями на эпюрах 8д и 8е показаны состояния при отсутствии в заявляемой телекамере предлагаемого режима работы, т.е. в режиме прототипа.
При анализе конструкторского решения телекамеры целесообразно рассмотреть возможность выполнения БУЯ 9 в составе ВК 3-1.
Матрица 2 ПЗС (см. фиг.3) содержит точно так же, как и в прототипе, на единственном кристалле две секции (2-1 и 2-5) два выходных регистра (2-3 и 2-7), разделительный электрод (2-4) и два БПЗН (2-3 и 2-7).
Функциональная схема технологической организации матрицы 2 близка к концепции фотоприемника со строчно-кадровым переносом [4, с.137], отличаясь от нее наличием горизонтального регистра 2-2, разделительного электрода 2-4 и БПЗН 2-3.
Фотоприемная секция 2-1 матрицы ПЗС имеет типовую конструкцию для матриц ПЗС с организацией «строчный перенос». Она обеспечивает накопление зарядовых пакетов в светочувствительных элементах, в качестве которых используются фотодиоды, организованные в столбцы. В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится нечувствительный к свету вертикальный ПЗС-регистр, отделенный от фотодиодов фотозатвором. Во время накопления зарядовых пакетов в фотодиодах на фотозатвор подается низкий уровень напряжения, обеспечивающий потенциальный барьер между фотодиодами и вертикальным ПЗС-регистром. По окончании накопления на фотозатвор кратковременно подается высокий уровень напряжения, разрешающий перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в вертикальных ПЗС-регистрах.
Зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров секции 2-1 построчно переносятся в горизонтальный регистр 2-2, из которого поэлементно считываются через БПЗН 2-3.
Разделительный электрод 2-4 разрешает построчный перенос зарядов из вертикальных регистров секции 2-1 сквозь регистр 2-2 в секцию памяти 2-5 или изолирует секцию 2-5 от такого переноса. Число элементов в каждом столбце секции 2-5 должно быть равно числу элементов вертикального регистра секции 2-1. Второй горизонтальный регистр 2-6 организован точно так же, как и первый регистр 2-2, а заканчивается вторым БПЗН 2-7.
Блок 2-7, как и блок 2-3, предназначен для осуществления преобразования зарядового сигнала изображения в напряжение видеосигнала. Принципиальным их отличием является различный уровень зарядовых пакетов на входе, который учитывается при конструктивном исполнении полевого транзистора в части емкости его затвора. Для БПЗН 2-3 предполагается низкий уровень зарядового сигнала, поэтому емкость затвора должна быть предельно малой, что достигается выбором геометрии его размеров, обеспечивающей малую площадь (S1). Напротив, для БПЗН 2-7 ожидается высокий уровень зарядового сигнала, поэтому необходимо увеличить управляющую способность блока путем увеличения площади затвора (S2). Так что обязательным при конструировании нагрузочных транзисторов является условие: S1<S2.
Генератор 3 управляющих импульсов предназначен для осуществления развертки в матрице 2 ПЗС и формирования служебных импульсов для блоков 4, 5, 8 и 9 заявляемой телекамеры.
Входящий в состав генератора 3 временной контроллер (ВК) 3-1 может быть выполнен в виде большой интегральной схемы (БИС), например микросхемы CXD2463R фирмы Sony [5].
Блок преобразования уровней БПУ 3-2 предназначен для преобразования уровней логических сигналов ВК 3-1 в уровни сигналов, необходимые для работы матрицы ПЗС, и может быть реализован в виде второй БИС необходимого комплекта.
Как и в прототипе, особенностью ВК 3-1 в заявляемом решении является наличие первого и второго управляющих входов.
Применительно к микросхеме CXD2463RB первым управляющим входом является вывод 20. Если необходимо включить автоматическую регулировку времени накопления (АРВН) в телекамере, нужно подать на этот вывод логический «0», для переключениям в режим ручного управления временем накопления - логическую «1» в уровнях ТТЛ.
Второй управляющий вход микросхемы CXD2463R образуют выводы 11, 12, 13. Для работы телекамеры 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.
|
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 ФКИ 5.
Сигнальный процессор 4 при помощи первого 4-1 и второго 4-2 видеоусилителей, как и в прототипе, выполняет двухканальное усиление и обработку сигналов изображения с выходов матрицы ПЗС и формирование на первом и втором выходах полных телевизионных сигналов (композитных видеосигналов).
Сигнальный процессор 4 может быть выполнен в виде одной БИС или двух микросхем СХА1310AQ фирмы Sony [6].
Для убедительности изложения описания заявляемого решения в структурной схеме телекамеры (см. фиг.1) показана цепь обратной связи процессора с фотоприемником через генератор 3 управляющих импульсов. Это означает, что применительно к прототипу в видеоусилителе 4-1 вырабатывается управляющий сигнал на ВК 3-1 для реализации автоматической регулировки времени накопления (АРВН) матрицы 2 ПЗС.
Блок 5-1 управления коммутацией (см. фиг.2) содержит RS-триггер 5-1-1 и последовательно соединенные счетчик-делитель 5-1-2 и коммутатор 5-1-3, первый 5-1-4 и второй 5-1-5 компараторы, опорные входы которых подключены к пороговому напряжению Uп, а также элемент «ИЛИ» 5-1-6 и элемент «И» 5-1-7, причем прямой выход RS-триггера 5-1-1 подключен соответственно к управляющему входу коммутатора 5-1-3, первому входу элемента «И» 5-1-7 и к соединенным между собой стробирующим входам компараторов 5-1-4 и 5-1-5, а тактовый вход RS-триггера 5-1-1 - к входу счетчика-делителя 5-1-2, выход которого подключен ко второму входу элемента «И» 5-1-7, выход компаратора 5-1-5 подключен к первому входу элемента «ИЛИ» 5-1-6, второй вход которого подключен к выходу компаратора 5-1-4, при этом информационный вход компаратора 5-1-4 является первым информационным входом блока, информационный вход второго компаратора 5-1-5 - вторым информационным входом блока, S-вход RS-триггера 5-1-1 - первым управляющим входом блока, R-вход RS-триггера 5-1-1 - вторым управляющим входом блока, тактовый вход RS-триггера 5-1-1 - входом синхронизации блока, прямой выход RS-триггера 5-1-1 - первым выходом управления блока, выход коммутатора 5-1-3 - вторым выходом управления блока, выход элемента «И» 5-1-7 - третьим выходом управления блока, а выход элемента «ИЛИ» - четвертым выходом управления блока.
RS-триггер 5-1-1 является тактируемым триггерным устройством RS-типа с высоким активным уровнем на входах управления.
Счетчик-делитель 5-1-2 предназначен для выполнения деления частоты кадровых синхроимпульсов 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.
Коммутатор 5-1-3, как и в прототипе, предназначен для установки внешнего кода управления в ВК 3-1. Установка этого кода осуществляется в ФКИ 5 по второму выходу управления.
Пример электрической схемы этого блока (см. фиг.6) содержит первый элемент «И» D1-1, второй элемент «И» D1-2, третий элемент «И» D1-3, a также первый коммутатор D2-1, второй коммутатор D2-2 и третий коммутатор D2-3, при этом первые входы элементов «И» соединены между собой и подключены к выходу счетчика-делителя 5-1-2, вторые входы элементов «И» - к прямому выходу RS-триггера 5-1-1, а выходы элементов «И» - соответственно к управляющим входам первого D2-1, второго D2-2 и третьего D2-3 коммутаторов, входы разрешения коммутаторов соединены между собой и подключены к прямому выходу RS-триггера 5-1-1, а выходы коммутаторов являются выходом блока 5-1-3.
При подаче высокого логического уровня сигнала на входы разрешения коммутаторов D2-1, D2-2, D2-3 и высокого логического уровня сигнала на первые входы элементов «И» D1-1, D1-2, D1-3 на выходе, блока 5-1-3 формируется логическая комбинация «111».
Когда на первые входы элементов «И» D1-1, D1-2, D1-3 будет подан логический «0», на выходе блока 5-1-3 установится логическая комбинация «000».
Если на входы разрешения коммутаторов D2-1, D2-2, D2-3 будет подан низкий логический уровень, тогда, независимо от состояния на входах элементов «И» D1-1, D1-2, D1-3, выходы коммутаторов будут изолированы от входов.
Особенностями компараторов 5-1-4 и 5-1-5 является применение в каждом из них стробирующего входа. В качестве элементной базы для выполнения необходимых компараторов могут быть использованы микросхемы КМ597СА1 [7, 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.
Ниже будет показано, что в заявляемом режиме работы телекамеры на выходе компараторов 5-1-4 и 5-1-5 удерживается всегда логический «0».
Коммутатор-смеситель 5-2 предназначен для синтеза выходного видеосигнала телекамеры. Электрическая схема блока 5-2 может быть выполнена на базе одного из двух четырехканальных аналоговых коммутаторов микросхемы КР590КН3 [7, 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.
|
Первый БЗК 6 и второй БЗК 7, как и в прототипе, предназначены 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 блоков 6 и 7 может быть осуществлена путем последовательного соединения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) и цифроаналогового устройства (ЦАП) точно так же, как для блоков задержки на кадр у прототипа.
Формирователь 8 предназначен для получения на выходе сигнала «окошко» с форматом (А×В), где А и В - соответственно размеры «окна» в растре по горизонтали и вертикали.
В пределах растра «окно» занимает центральный фрагмент, а его размеры связаны с размерами растра следующими соотношениями:
А=Х/(2…3); В=Y/(2…3),
где Х и Y - размеры растра по горизонтали и вертикали соответственно.
Отметим, что именно в этом «окне» телекамеры предполагается наличие экстремальной облученности.
В интервале «окна» сигнал «окошко» имеет положительную полярность составляющих импульсов, а его формирование рекомендуется выполнить цифровым методом. При разработке конструкции телекамеры целесообразно рассмотреть возможность реализации формирователя сигнала «окошко» в составе ВК 3-1.
Телекамера (см. фиг.1) работает следующим образом.
Предположим, что дистанционное управление работой телекамеры осуществляется с компьютера 12 по линии связи 11.
Наименования формируемых команд управления и характеристика транслируемых сигналов представлены в табл.3.
|
Добавим, что на экране монитора компьютера 12 воспроизводится видеосигнал, формируемый телекамерой, что легко обеспечивается, например, если используется компьютер с операционной системой Windows ХР, в котором установлен продукт серии AVerTV [8].
Особенностью заявляемого режима работы телекамеры является предварительная пространственная ориентация так, чтобы сильноосвещенные или яркие объекты воспринимались в центральной части ее угла зрения, т.е. в соответствии с положением в растре сигнала «окошко».
В исходном состоянии с компьютера 12 на третий управляющий вход БУЯ 9 и на четвертый управляющий вход ФКИ 5 подается сигнал логического «0» в соответствии с командой «Норма» (см. табл.3 и пунктир на фиг.8д).
Поэтому на выходе ПУ 9-4 формируется низкий уровень напряжения U1 (см. пунктир на фиг.8е), который обеспечивает максимальное светопропускание ячейки 10. При этом логический «0» на втором входе элемента «И» 5-3 ФКИ 5 исключает прохождение сигнала «окошко» с выхода блока 8 на первый вход элемента «ИЛИ» 5-4.
Пусть на вход «Пуск» телекамеры подается импульс положительной полярности. Для правильного понимания всех процессов заявляемого режима работы позволим себе повториться, изложив известные подробности режима прототипа.
В момент совпадения на «S»-входе RS-триггера 5-1-1 блока 5-1 управления коммутацией (см. фиг.2) высокого уровня этого импульса с высоким уровнем кадровых синхроимпульсов на его тактовом («CLC») входе состояние триггера изменяется. На прямом выходе триггера 5-1-1 устанавливается сигнал логической «1». Последний подается на управляющий вход блока 5-1-3, на стробирующие входы компараторов 5-1-4, 5-1-5 и через первый выход управления ФКИ 5 - на первый управляющий вход ВК 3-1.
Поэтому схема автоматической регулировки времени накопления (АРВН) в телекамере отключается, а второй управляющий вход ВК 3-1 оказывается подключенным к выходу блока 5-1-3. Одновременно компараторы 5-1-4 и 5-1-5 оказываются подготовленными к работе, т.к. на их стробирующих входах устанавливается логическая «1».
Необходимо отметить, что независимо от коммутации на входе «Пуск» на выходе счетчика-делителя 5-1-2 продолжают формироваться импульсы с периодом Тд.
При подключении второго управляющего входа ВК 3-1 к выходу блока 5-1-3 на этом входе на время действия высокого уровня меандра импульсов с выхода блока 5-1-2 устанавливается логическая комбинация «111», обеспечивающая «длинное» накопление зарядов («long charge») в фотоприемнике. По длительности это время кадрового накопления составляет 10000 мкс (см. табл.1).
Уровень меандра с выхода блока 5-1-2 определяет уровень сигнала на третьем выходе управления ФКИ 5, а следовательно, и уровень напряжения на разделительном электроде 2-4 матрицы ПЗС (см. фиг.5б).
Когда на третьем выходе управления ФКИ 5 устанавливается низкий уровень сигнала, то секция 2-1 на это время будет изолирована от секции 2-5, а считывание накопленных зарядовых пакетов осуществляется построчно в регистр 2-2, а из него - поэлементно в БПЗН 2-3. Обозначим условно этот видеосигнал, снимаемый с первого выхода матрицы 2 ПЗС, «длинным» сигналом («long signal») из-за прямой зависимости его уровня от длительного (10000 мкс) накопления зарядового кадра.
Когда же с выхода блока 5-1-2 будет подан низкий уровень меандра импульсов, тогда на это время на втором управляющем входе ВК 3-1 установится логическая комбинация «000», гарантирующая «короткое» накопление зарядов («short charge») в матрице ПЗС величиной 10 мкс (см. табл.1). Отметим, что во время действия высокого уровня меандра на разделительном электроде 2-4 установится тоже высокий уровень. Поэтому он разрешает для зарядовых пакетов накопленного кадра построчный их перенос из секции 2-1 сквозь регистр 2-2 в секцию 2-5 и хранение зарядов в ней до момента наступления очередного промежутка Тп «изоляции».
В последующем интервале Тп выполняется построчный перенос каждой строки этого зарядового кадра в регистр 2-6 и считывание каждого элемента строки в БПЗН 2-7. Обозначим условно этот видеосигнал, снимаемый со второго выхода матрицы 2 ПЗС, «коротким» сигналом («short signal») из-за прямой зависимости его уровня от кратковременного (10 мкс) накопления зарядового кадра.
Отметим, что «long signal» на первом выходе матрицы 2 ПЗС и «short signal» на ее втором выходе следуют с периодом 2Тп, а в течение паузы (интервала Тп) регистры 2-3 и 2-6 матрицы ПЗС параллельно осуществляют считывание темнового сигнала и удаляют паразитную информацию из фотоприемника.
Далее видеосигнал с первого выхода матрицы 2 ПЗС поступает на вход видеоусилителя 4-1 сигнального процессора 4, а с его выхода - на первый информационный вход ФКИ 5. и на вход БЗК 6. Одновременно видеосигнал со второго выхода матрицы 2 ПЗС подается на вход видеоусилителя 4-2, а с выхода - на второй информационный вход ФКИ 5 и на вход БЗК 7 соответственно. Задержанный на кадр видеосигнал с выхода БЗК 6 поступает на третий информационный вход ФКИ 5, а задержанный на кадр видеосигнал с выхода БЗК 7 - нa четвертый информационный вход ФКИ 5.
В результате четырехканальной коммутации этих составляющих видеосигналов на выходе коммутатора-смесителя 5-2 синтезируется выходной сигнал телекамеры.
Допустим, что в процессе работы телекамеры в режиме прототипа на изображении появляется блюминг. Тогда необходимо с компьютера 12 подать команду «Перегрузка» (см. табл.3).
В соответствии с этой командой сигнал логической «1» поступает на четвертый управляющий вход ФКИ 5 и на третий управляющий вход БУЯ 9. Следовательно, высокий логический уровень сигнала устанавливается на втором входе элемента «И» 5-3 и на втором входе элемента «И» 9-3.
На выходе элемента «И» 9-3 (см. фиг.7) вырабатывается новый сигнал (см. фиг.8г), который формирует новый сигнал на выходе БУЯ 9 (см. фиг.8е).
Поэтому обеспечивается полное светопропускание ячейки 10 во время Тн2, т.е. в течение накопления «short charge» кадра, и отсутствие светопропускания ячейки во время Тн1, когда на фотомишени ПЗС выполняется «длинное» зарядовое накопление кадра - «long charge».
В результате на первом информационном входе коммутатора-смесителя 5-2 формируется новый видеосигнал (см. фиг.5в), на его втором информационном входе - новый видеосигнал (см. фиг.5е), на третьем информационном входе - новый видеосигнал (см. фиг.5г), а на четвертом информационном входе - новый видеосигнал (см. фиг.5ж).
При этом на первом управляющем входе коммутатора-смесителя 5-2 присутствует сигнал с третьего выхода управления блока 5-1 (см. фиг.5б), а на втором его управляющем входе - сигнал с выхода элемента «ИЛИ» 5-4.
Отметим, что на выходе компараторов 5-1-4 и 5-1-5 будет присутствовать только уровень логического «0», т.к., благодаря импульсному затемнению ячейки 10, на выходе видеоусилителя 4-1 заведомо исключается уровень видеосигнала, превышающий опорное напряжение Uп.
Это означает, что на четвертом выходе управления блока 5-1 устанавливается логический «0», а на второй управляющий вход коммутатора-смесителя 5-2 будет поступать только сигнал «окошка», эпюра которого по кадру представлена на фиг.5д.
Синтез выходного сигнала изображения, как и в прототипе, осуществляется в коммутаторе-смесителе 5-2 при помощи четырехканальной коммутации составляющих видеосигналов (см. фиг.5 и табл.2).
Рассмотрим этот процесс коммутации видеосигналов подробнее.
Когда на первом и втором управляющих входах блока 5-2 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 управляющем входе устанавливается логическая «1», а на втором управляющем входе присутствует логический «0», то на это время открывается канал 3А, а на выход транслируется видеосигнал с третьего 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 четвертого информационного входа.
Синтезированный видеосигнал (см. фиг.5з) обладает расширенным динамическим диапазоном, т.к. в нем оптимизировано преобразование «заряд - напряжение» для светлых и темных фрагментов сцены в матрице ПЗС, а по сравнению с прототипом исключен блюминг видеосигнала в экстремальных условиях сложной освещенности и/или сложной яркости.
Предположим, что телекамера работает в режиме чересстрочной развертки. Тогда на входе синхронизации ФКИ 5 присутствуют импульсы не с периодом кадров, а с периодом полукадров Тп (см. фиг.11а).
Счетчик-делитель 5-1-2 выполняет деление входной частоты на четыре, т.е. период выходных импульсов будет составлять: Тд2=4Тп (см. фиг.11в). В результате, за время действия высокого уровня этого меандра в матрице 2 ПЗС 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 фотоприемнике будет совершаться не один, а два цикла экспонирования с «коротким» зарядовым накоплением по 10 мкс. БЗК 6 и БЗК 7 осуществляют задержку входного видеосигнала на два полукадра, т.е. по длительности на два Тп.
Во всем остальном работа телекамеры не отличается от ее функционирования в режиме прогрессивной развертки.
Если условия экстремального облучения объектов для телекамеры прекратятся, то следует подать команду «Норма» (см. табл.3).
Тогда на выходе БУЯ 9 будет восстановлен низкий уровень напряжения U1, максимальное светопропускание ячейки 10 и режим прототипа для видеосигнала телекамеры.
В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2416171, МПК H04N 5/225. Телевизионная камера для наблюдения в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов / В.М.Смелков // Б.И. - 2011. - №10.
2. Разработка светорегулирующих ячеек и технологического процесса их изготовления. Технический отчет по теме «Балтика». Новгород (Великий Новгород), 1979.
3. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. Перевод с англ. - М.: Мир, 1988.
4. Владо Дамьяновски. CCTV. Библия видеонаблюдения, Цифровые и сетевые технологии / Перевод с англ. - М.: ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.
5. Микросхема CXD2463R фирмы Sony. Timing Controller for CCD Camera. Инструкция для пользователя на английском языке, с.1-12.
6. Микросхема CXA1310AQ фирмы Sony. Single Chip Processing for CCD Camera. Инструкция для пользователя на английском языке, с.1-14.
7. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др. - М.: Радио и связь, 1990.
8. Руководство по быстрой установке продукта Aver TV 307 от компании AverMedia TECHNOLOGIES, Inc. (Тайвань), 2006.