УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО КРУГОВОГО ОБЗОРА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ И ТРУБОПРОВОДОВ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Предлагаемое изобретение имеет отношение к панорамному телевизионному наблюдению для технологического контроля внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра, выполняемого компьютерной системой при помощи монохромной (черно-белой) телевизионной камеры кругового обзора в области, близкой к полусфере, которая принудительно подсвечивается для получения оптимальной чувствительности изображения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство компьютерной системы для телевизионного кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и компьютер оператора в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютера, причем телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр черно-белого изображения, размещается внутри контролируемой цилиндрической трубы или трубопровода большого диаметра и содержит в своем составе датчик телевизионного сигнала (ДТС), состоящий из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и фотоприемника, имеющего форму кругового кольца, у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру, оканчивающемуся блоком преобразования «заряд-напряжение» (БПЗН), причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области различно и увеличивается по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, равной числу элементов в «кольцевом» регистре, при этом в телевизионной камере выход БПЗН фотоприемника, являющийся выходом ДТС, подключен через коммутатор к информационному входу сигнального процессора, соединенному последовательно с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), выход управления экспозицией сигнального процессора подключен к управляющему входу блока «кольцевой» развертки видеосигнала, первый выход которого подключен к управляющим входам фотоприемной области фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к управляющим входам «кольцевого» регистра фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к входу синхронизации сигнального процессора, четвертый выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к тактовому входу АЦП, пятый выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к первому управляющему входу коммутатора, а шестой выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к входу синхронизации блока механического сканирования ДТС, при этом второй управляющий вход коммутатора объединен с управляющим входом блока механического сканирования ДТС и подключен к входу внешнего управления телевизионной камерой, на который поступают команды, обеспечивающие ее работу в режимах «Камера» и «Сканер», причем блок механического сканирования кинематически связан с ДТС, а выход АЦП является выходом телевизионной камеры, при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:

где γ_г - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем.

Недостаток прототипа компьютерной системы - отсутствие принудительной освещенности на контролируемом объекте, приводящее к пониженной чувствительности изображения контролируемого объекта в режимах «Камера» и «Сканер».

Задачей изобретения является организация в составе телевизионной камеры компьютерной системы на контролируемом объекте принудительной освещенности повышенной равномерности, обеспечивающей оптимальную чувствительность изображения.

Поставленная задача в заявляемом устройстве компьютерной системы для телевизионного кругового обзора решается тем, что в устройство прототипа [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и компьютер оператора в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, причем телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр черно-белого изображения, размещается внутри контролируемой цилиндрической трубы или трубопровода большого диаметра и содержит в своем составе ДТС, состоящий из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и фотоприемника, имеющего форму кругового кольца, у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру, оканчивающемуся БПЗН, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области различно и увеличивается по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, равной числу элементов в «кольцевом» регистре; выход БПЗН фотоприемника, являющийся выходом ДТС, подключен через коммутатор к информационному входу сигнального процессора, соединенному последовательно с АЦП, выход управления экспозицией сигнального процессора подключен к управляющему входу блока «кольцевой» развертки видеосигнала, первый выход которого подключен к управляющим входам фотоприемной области фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к управляющим входам «кольцевого» регистра фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к входу синхронизации сигнального процессора, четвертый выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к тактовому входу АЦП, пятый выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к первому управляющему входу коммутатора, а шестой выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к входу синхронизации блока механического сканирования ДТС, при этом второй управляющий вход коммутатора объединен с управляющим входом блока механического сканирования ДТС и подключен к входу внешнего управления телевизионной камерой, на который поступают команды, обеспечивающие ее работу в режимах «Камера» и «Сканер», причем блок механического сканирования кинематически связан с ДТС, а выход АЦП является выходом телевизионной камеры, при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая БПКП, вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), реализуется следующее изменение, а именно: в состав телевизионной камеры введен точечный (одноэлементный) или многоэлементный осветитель, расположенный перед панорамным объективом, а его геометрический центр находится на оптической оси панорамного объектива, при этом диаграмма направленности осветителя совпадает с угловым полем в пространстве предметов для панорамного объектива, а диаметр осветителя не превышает диаметр пассивной части изображения для проекции панорамного объектива, формируемой в этой плоскости, причем спектральная характеристика излучения осветителя соответствует спектральной характеристике чувствительности фотоприемника телевизионной камеры.

По отношению к прототипу [1] заявляемое устройство отличается введением оригинального осветителя, который обеспечивает необходимую принудительную освещенность контролируемого объекта с той стороны, откуда наблюдает телевизионная камера.

Принципиальная возможность расположения осветителя перед объективом телевизионной камеры обеспечивается формированием этим объективом панорамного оптического изображения объекта контроля, имеющего в центре круговую пассивную часть, т.е. область, которая свободна от передаваемого изображения.

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

В телевизионной камере предлагаемого устройства реализуется режим работы с принудительной подсветкой контролируемого объекта, которая обладает повышенной равномерностью благодаря расположению геометрического центра осветителя на оптической линии объектива перед ним.

Следует отметить, что такое пространственное положение осветителя принципиально достижимо в телевизионной камере только, если использован панорамный объектив, а качестве сенсора - «кольцевой» фотоприемник. Применение в качестве фотоприемника матрицы ПЗС исключает возможность реализации такого осветителя.

Поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого изобретения - устройства компьютерной системы для телевизионного кругового обзора; на фиг. 2 - структурная схема телевизионной камеры из состава компьютерной системы; на фиг. 3 - схемотехническая организации фотоприемника телевизионной камеры; на фиг. 4 - фрагмент этого фотоприемника, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 5, по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 6 показана конструкция «кольцевого» регистра фотоприемника, у которого электроды переноса выполнены в виде части кругового кольца; на фиг. 7 схематически показано содержимое оперативной памяти сервера, где записано кольцевое панорамное изображение, воспринимаемое фотоприемником, когда каждая «кольцевая» строка при записи «разбита» на шесть составляющих; на фиг. 8 - предлагаемое оператору это панорамное изображение в виде последовательности из 6-ти «прямоугольных» кадров; на фиг. 9 - электрическая схема коммутатора телевизионной камеры; на фиг. 10 - временные диаграммы, поясняющие работу телевизионной камеры в режиме сканера; на фиг. 11 - эпюра управляющего сигнала (сигнала синхронизации), поясняющая работу блока механического сканирования ДТС.

Заявляемое устройство компьютерной системы телевизионного кругового обзора внутренней поверхности цилиндрических труб и трубопроводов большого диаметра, см. фиг. 1, содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и компьютер оператора 2 в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров в позиции 3, причем телевизионная камера, размещаемая внутри контролируемой цилиндрической трубы 4 большого диаметра, формирует «кольцевой» растр черно-белого изображения; при этом на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, выполняющая программным путем запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера и преобразование «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), сама телевизионная камера 1, см. фиг. 2, содержит ДТС 1-1, в состав которого входят последовательно расположенные и оптически связанные осветитель 1-1-1, панорамный объектив 1-1-2 и фотоприемник 1-1-3, имеющий форму кругового кольца, см. фиг. 3, у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области 1-1-3-1 расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру 1-1-3-2, оканчивающемуся БПЗН 1-1-3-3, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области различно и увеличивается по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, равной числу элементов в «кольцевом» регистре; выход БПЗН 1-1-3-3 фотоприемника подключен через коммутатор 1-2 к информационному входу сигнального процессора 1-4, соединенному последовательно с АЦП 1-5; выход управления экспозицией сигнального процессора подключен к управляющему входу блока 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала, первый выход которого подключен к управляющим входам фотоприемной области сенсора 1-1-3-1, второй выход блока 1-3 - к управляющим входам «кольцевого» регистра фотоприемника 1-1-3-2, третий выход блока 1-3 - к входу синхронизации сигнального процессора 1-4, четвертый выход блока 1-3 - к тактовому входу АЦП 1-5, пятый выход блока 1-3 - к первому управляющему входу коммутатора 1-2, а шестой выход блока 1-3 - к входу синхронизации блока 1-6 механического сканирования ДТС, при этом второй управляющий вход коммутатора 1-2 объединен с управляющим входом блока 1-6 механического сканирования ДТС и подключен к входу внешнего управления телевизионной камерой, на который поступают команды, обеспечивающие ее работу в режимах «Камера» и «Сканер», причем блок 1-6 механического сканирования кинематически связан с ДТС 1-1, а выход АЦП 1-5 является выходом телевизионной камеры.

Осветитель 1-1-1 должен иметь диаграмму направленности, которая совпадает с полусферой кругового обзора для панорамного объектива 1-1-2. Очевидно, что диаметр осветителя 1-1-1 не должен превышать диаметр оптической проекции для пассивной области панорамного объектива 1-1-2, формируемой в этой плоскости, а спектральная характеристика осветителя 1-1-1 должна соответствовать спектральной характеристике чувствительности фотоприемника 1-1-3.

Панорамный объектив 1-1-2 телевизионной камеры, как и в прототипе, предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора («кольцевого» изображения), а по величине фокусного расстояния он должен быть отнесен к классу короткофокусных.

В качестве близкого примера его технического решения можно считать панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами из Московского государственного университета геодезии и картографии [2].

Фотография кольцевого изображения, формируемого панорамным объективом, представлена на фиг. 5. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75-80) градусов по углу места.

Наличие пассивной (неинформативной) области в центре этой фотографии подтверждает целесообразность принятой в заявляемом решении организации принудительной подсветки контролируемого объекта. По этой причине можно считать конструктивно оправданным выполнение осветителя 1-1-1 в составе панорамного объектива 1-1-2.

Организация фотоприемника 1-1-3, см. фиг. 3…4, с мишенью в виде кругового кольца, как и в прототипе, может быть реализована по технологии ПЗС.

С технологической точки зрения вполне оправдано, что для «кольцевого» фотоприемника телевизионной камеры электроды переноса в фотоприемной области 1-1-3-1 и в «кольцевом» регистре 1-1-3-2 выполняются с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца.

В качестве примера на фиг. 6 показана конструкция «кольцевого» регистра 1-1-3-2 для фотоприемника с такими электродами переноса.

Сигнальный процессор 1-4, блок 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала и АЦП 1-5 целесообразно реализовать с использованием комплекта специализированных микросхем высокого уровня интеграции.

Коммутатор 1-2 предназначен для выделения аналогового видеосигнала первой «кольцевой» строки при работе заявляемого устройства в режиме «Сканер». Как показано на фиг. 9, электрическая схема коммутатора 1-2 может быть выполнена на базе двух логических элементов интегральных микросхем, а именно: коммутатора (DA1) и элемента «И-НЕ» (DD1).

На управляющий вход блока 1-2 подается сигнал с выхода блока 1-3, представленный на фиг. 10а. Этот сигнал следует с периодом кадров (Т_к), а интервал низкого уровня в нем соответствует длительности строки (Т_с).

С внешнего входа телевизионной камеры на другой вход блока 1-2 поступает команда, характеристики которой представлены в табл. 1, а эпюра - на фиг. 10б.

В режиме «Камера» элемент DA1 находится постоянно в замкнутом состоянии. Поэтому видеосигнал с выхода ДТС 1-1 без изменений поступает на информационный вход сигнального процессора 1-4, см. фиг. 10в.

В режиме «Сканер» элемент DA1 замыкается только на время первой «кольцевой» строки каждого кадра, см. фиг. 10г.

Очевидно, что при практической реализации заявляемого изобретения команды внешнего управления телевизионной камерой могут быть сформированы на плате видео в составе компьютера 2 оператора, а блок 1-2 может быть выполнен в составе сигнального процессора 1-4.

Блок 1-6 предназначен для выполнения в режиме «Сканер» пошагового перемещения ДТС 1-1 с интервалом по расстоянию, равным ширине одной «кольцевой» строки фотоприемника 1-1-2.

Когда ДТС 1-1 находится в статичном (неподвижном) состоянии, осуществляется накопление сигнала изображения в фотоприемнике 1-1-2 и запись цифрового видеосигнала текущей первой строки в оперативную память сервера 2. Затем осуществляется перемещение ДТС 1-1, а потом выполняется накопление сигнала изображения последующей строки кадра, которая становится в этой ситуации уже первой, и запись ее в оперативную память сервера 2. Далее процесс повторяется.

Время одного акта неподвижного состояния и перемещения ДТС 1-1 (см. фиг. 11) составляет mТ_к, где m - коэффициент, равный 25…50.

Очевидно, что блок 1-6 может быть объединен с ДТС 1-1, т.е. выполнен в его составе.

Устройство компьютерной системы для телевизионного кругового обзора (см. фиг. 1) работает следующим образом.

Телевизионная камера 1 размещается внутри трубы 4 по центру в ее сечении, а при помощи рельсового механизма (он не показан) может перемещаться вдоль нее.

При включении питания заявляемое устройство по умолчанию начинает работать в режиме «Камера», т.е. на внешнем входе телевизионной камеры 1 присутствует сигнал логического «0» (см. табл. 1).

Панорамный объектив 1-1-2 совместно с осветителем 1-1-1 формирует «кольцевое» оптическое изображение внутренней поверхности трубы 4, проецируя его на мишень фотоприемника 1-1-3 телевизионной камеры 1.

Область принудительной подсветки контролируемого объекта, выполняемой при помощи осветителя 1-1-1, показана на фиг. 1. Для этой области должна быть обеспечена оптимальная величина освещенности, при которой обеспечивается близкое к предельному значению отношение сигнал/шум (ψ) для вырабатываемого фотоприемником 1-1-3 видеосигнала.

Фотоприемник 1-1-3 (см. фиг. 3…4) реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-1-3-1 с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре 1-1-3-2 и формированием на выходе БПЗН 1-1-3-3 напряжения видеосигнала в аналоговой форме. При этом в интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности панорамного сюжета, в светочувствительных пикселах фотоприемной области 1-1-3-1. 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 1-1-3-1.

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 строчной развертки новыми зарядами «кольцевой» регистр 1-1-3-2.

В результате фотоэлектрического и последующего аналого-цифрового преобразования видеосигнала на выходе телевизионной камеры 1 формируется цифровой телевизионный сигнал монохромного изображения.

Допустим, что текущий угол поля зрения (γ_г) предъявляемого панорамного изображения составляет 60 градусов по горизонтали, тогда «кольцевой» кадр записи включает 6 (шесть) условных областей.

В этом случае оперативная память сервера 2, куда записывается панорамное изображение, содержит 6 областей входного видеосигнала текущего «кольцевого» кадра.

Но каждый из этих массивов памяти заполнен видеоинформацией неравномерно из-за различного числа пикселов, расположенных на «кольцевых» строках мишени. Как показано на фиг. 7, светлые области каждого из массивов иллюстрируют активные (занятые) ячейки памяти, а темные области - пассивные (свободные) ячейки памяти. Все занятые горизонтальные ячейки памяти соответствуют «кольцевой» строке, расположенной на самой внешней периферии мишени, а минимально занятые горизонтальные ячейки памяти - «кольцевой» строке, находящейся ближе всех остальных к воображаемому центру кругового кольца.

Далее в сервере 2 при помощи элемента БПКП, реализующего возложенные на него функции программным путем, осуществляется операция считывания видеосигнала, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» сервера.

Поэтому цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности (см. фиг. 8) оператору компьютера 2.

Отметим, что предлагаемые оператору в режиме «Камера» телевизионные изображения принципиально включают в свой состав так называемые «черные» строки, содержащие элементы изображения, которые не несут информации об объекте контроля, а сообщают об уровне темного тока фотоприемника. Но это наличие переменной разрешающей способности изображения в заявляемом решении, когда обеспечивается оптимальная освещенность объекта контроля, можно считать допустимым явлением, которое не сильно мешает оператору осуществить предварительный просмотр объекта и обнаружить участок трубы с подозрением на технологический дефект.

Если оператор компьютера 2 обнаружил такой объект, то он может рассмотреть его при повышенном разрешении в другом режиме работы заявляемого устройства.

Тогда оператор переводит телевизионную камеру 1 в режим «Сканер» путем установки на ее внешнем входе сигнала логической «1» (см. табл. 1).

В этом режиме в оперативную память компьютера 2 оператора будет транслироваться цифровой видеосигнал первой «кольцевой» строки фотоприемника 1-1-3 при пошаговом перемещении самого фотоприемника на ширину пиксела этой строки.

Этот видеосигнал записи будет уже свободен от «черных» (пассивны) пикселов, а благодаря наибольшему числу элементов в первой строке фотоприемной секции сенсора, в нем будет гарантироваться максимальное разрешение контролируемой в настоящий момент внутренней поверхности трубы 4.

Необходимое время «сканерной» записи всего «кольцевого» кадра составляет десятки и более секунд. Но оно вполне оправдано предлагаемой технологией проведения работы и достигаемым эффектом повышения разрешающей способности изображения в условиях оптимальной освещенности на объекте.

«Кольцевой» кадр, полученный при помощи «сканерной» записи, преобразуется далее в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности на компьютеры 3 операторам локальной вычислительной сети точно так же, как и в прототипе.

После завершения «сканерной» записи «кольцевого» кадра дефектного участка внутренней поверхности трубы 4 телевизионная камера 1 автоматически переходит в режим работы «Камера».

В настоящее время все элементы структурной схемы устройства компьютерной системы для телевизионного кругового обзора освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2578193. МПК H04N 7/00, H04N 5/225. Устройство компьютерной системы для телевизионного кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра. / В.М. Смелков // БИ - 2016. - №9.

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