СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ВЫСОКОЙ ЧЕТКОСТИ В КАМЕРЕ НА ОБЫЧНЫХ ПЗС И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭТОГО СПОСОБА Российский патент 1999 года по МПК H04N5/335 H04N5/225 

Заявляемое техническое решение относится к области телевидения, а более конкретно - к способам и устройствам для получения телевизионного изображения высокой четкости (ТВЧ).

Заявляемое техническое решение наиболее актуально для промышленного и военного телевидения, где известны способы и устройства вещательного ТВЧ неприемлемы из-за:
- дороговизны (стоимость передающей камеры вещательного ТВЧ, например, на два порядка больше стоимости камеры с обычным стандартом разложения);
- высоких требований, предъявляемых промышленным и военным телевидением к простоте обслуживания;
- высоких требований, предъявляемых промышленным и военным телевидением к стабильности параметров в условиях воздействия жестких внешних климатических и механических дестабилизирующих факторов.

Известны телевизионные камеры с использованием нескольких ПЗС-матриц для повышения видимой четкости телевизионного изображения [1, 2].

В качестве прототипа рассмотрим принцип повышения визуально воспринимаемой четкости, описанный в [4]. В соответствии с этим способом оптическая проекция изображения передаваемого объекта осуществляется на две или более ПЗС-матрицы, причем матрицы расположены в пространстве таким образом, что по отношению к одному и тому же элементу оптического изображения матрицы R и B сдвинуты вдоль строк телевизионного растра относительно матрицы G на величину, равную половине расстояния между пикселями ПЗС-матрицы. Далее путем простого суммирования сигналов от этих матриц формируется сигнал яркости, содержащий детали, имеющие размер, меньший расстояния между соседними пикселями, но больший или равный половине этого расстояния.

Одним из принципиальных недостатков этого способа является то, что отсутствует возможность увеличения разрешающей способности вдоль другой координаты.

Широкое внедрение в создание и обработку телевизионных изображений цифровых методов позволяет по-новому подойти к решению этих задач.

Предлагается способ создания изображений ТВЧ с применением ПЗС-матриц, расчитанных на обычные стандарты разложения, и аппаратурный комплекс для реализации этого способа.

Предлагается способ построения камеры ТВЧ на ПЗС-матрицах, разработанных для обычного стандарта разложения, при котором обеспечивается увеличение разрешающей способности вдоль обеих осей декартовых координат.

В соответствии с этим способом в заднем отрезке объектива, удовлетворяющего по своим параметрам требованиям ТВЧ, располагается спектрально нейтральная светоделительная призма, при помощи которой объектив формирует два одинаковых по светотехническим, колориметрическим и оптическим параметрам конгруэнтные изображения. В плоскости каждого изображения устанавливается ПЗС-матрица таким образом, что получается два совмещенных телевизионных изображения, сдвинутых относительно друг друга по горизонтали - на величину, равную половине расстояния между элементами и по вертикали - на величину, равную половине межстрочного промежутка. В этом случае оба телевизионных сигнала, полученные от матриц, работающих в обычном стандарте разложения с чересстрочной разверткой, параллельно и построчно преобразовываются (каждый в своем канале обработки видеосигнала) в восьми (или десяти-) разрядный цифровой код, балансируются по уровням "черного" и "белого" с точностью до одного младшего разряда квантования, проходят необходимую специальную обработку (например, компенсацию атмосферной дымки, контрастирование, пространственную фильтрацию статического шума и т.п.) и записываются в блок памяти. Таким образом создается информационное поле, в котором ячейки поэлементной памяти заполнены предварительно обработанным сигналом и расположены в шахматном порядке, чего нет в известных камерах цветного телевидения. Поэтому в нашем случае сигналы, соответствующие кадру одного телевизионного изображения и сдвинутые относительно сигналов, соответствующих кадру второго телевизионного изображения по горизонтали и вертикали на величину половины одного телевизионного элемента и половины межстрочного промежутка соответственно, создающие описанное информационное поле, можно получить путем параллельной записи информации от первой и второй ПЗС-матрицы в два раздельных блока памяти на низкой тактовой частоте дискретизации, а затем провести параллельно-последовательное считыванние записанной информации на учетверенной тактовой частоте по принципу "через элемент/через строку" при помощи трехканального коммутатора. Три цифровых потока подаются в блок обработки, где производится окончательная обработка, в том числе полная апертурная коррекция в соответствии с приведенными выражениями.

Ниже приводятся формулы полной обработки видеосигнала на каждой строке телевизионного изображения:

где


Принятые обозначения:
U_DN - окончательно обработанный видеосигнал строки N первого поля окончательного телевизионного изображения;
U_N - прошедший гребенчатую фильтрацию видеосигнал строки N первого поля окончательного телевизионного изображения;
V_1.N - первичный видеосигнал строки N кадра первого телевизионного изображения;
V_2.(N-1) - первичный видеосигнал строки (N-1) кадра второго телевизионного изображения;
V_2.N - первичный видеосигнал строки N кадра второго телевизионного изображения;
сигнал вертикальной апертурной коррекции строки N первого поля окончательного телевизионного изображения, ограниченный полосой 3 МГц;
сигнал горизонтальной апертурной коррекции строки N первого поля окончательного телевизионного изображения, ограниченный полосой 25 МГц;
Наглядное представление описываемого информационного поля, подлежащего обработке в соответствии с приведенными выше выражениями, дано на фиг. 1.

Считывание информации из информационного поля производится на частоте, оговоренной стандартом, например, SVGA или XGA.

Сигнал одного кадра каждого исходного телевизионного сигнала соответствует сигналу одного поля окончательного телевизионного изображения.

Предложенный способ получения телевизионного изображения высокой четкости имеет ряд принципиальных преимуществ по сравнению с использованием специальной матрицы ТВЧ [5, 6]:
- полоса частот первичных сигналов равна 6,5 МГц, а не 26 МГц, как в стандартных камерах ТВЧ, что позволяет получить исходное отношение сигнал/шум на 12 дБ лучше и облегчает их передачу от камеры;
- при воспроизведении окончательного телевизионного сигнала спектр шумов смещается вправо по шкале частот, что значительно уменьшает их заметность;
- использование вертикальной апертурной коррекции между соседними строками в кадре (а не в поле) значительно повышает вертикальную разрешающую способность и, следовательно, визуально воспринимаемую четкость изображения, особенно при повышении кадровой частоты при воспроизведении;
- четырехкратное понижение тактовой частоты управления значительно повышает помехоустойчивость камеры и снижает мощность потребления;
- стоимость телевизионной камеры значительно снижается за счет несоизмеримости цен на матрицу ТВЧ (с обрамлением) и двух обычных матриц (с обрамлением).

Предлагаемая камера предназначена для использования в телевизионных системах высокой четкости прикладного телевидения.

Известны датчики телевизионного сигнала, включающие в себя память на один- два ТВ кадра, используемую для получения синхронных сигналов [3].

Известны также передающие камеры для телевидения высокой четкости. Блок-схема передающей камеры ТВЧ [5, 6], принятой за прототип, приведена на фиг. 3. Камера состоит из оптического блока 1, преобразователя свет/сигнал 2, блока управления преобразователем свет/сигнал 3 и блока обработки видеосигнала 4.

К недостаткам этой передающей камеры следует отнести крайне высокую стоимость преобразователя свет/сигнал (особенно для варианта использования ПЗС-матриц).

Целью настоящего изобретения является значительное снижение стоимости передающей камеры, обеспечение простоты ее обслуживания и стабильности параметров в условиях дестабилизирующих факторов.

Блок-схема предлагаемой передающей камеры приведена на фиг. 2. Она содержит оптический блок 1, две ПЗС-матрицы 2, сдвинутые относительно друг друга вдоль двух осей координат, блок 3 управления, два аналого-цифровых преобразователя 4, два блока 5 предварительной обработки, два блока 6 памяти, трехканальный коммутатор 7 и блок 8 окончательной обработки.

Работает камера следующим образом.

Оптический блок 1 с высокой разрешающей способностью создает на ПЗС-матрицах 2, разработанных для обычного стандарта разложения, два светоделенных изображения, причем ПЗС-матрицы смещены в пространстве по отношению друг к другу на половину элемента по горизонтали и на половину межстрочного промежутка по вертикали.

Каждой из ПЗС-матриц 2, управляемой блоком 3 управления, формируется видеосигнал, соответствующий нормальному стандарту разложения и четкости, который в аналого-цифровом преобразователе 4 преобразуется, например, в восьми- (или десяти-) разрядный цифровой поток. Затем оба цифровых потока параллельно проходят предварительную обработку в блоке 5 предварительной обработке и записываются в блоки 6 памяти. Все операции с цифровыми потоками, вплоть до записи в блоки памяти 6, осуществляются на тактовой частоте 13,5 МГц. Блоки 6 памяти позволяют осуществлять непрерывную запись цифрового потока на тактовой частоте 13,5 МГц и непрерывное считывание информации по двум каналам по принципу "через элемент/через строку" на учетверенной тактовой частоте. Далее цифровые потоки поступают на коммутатор 7, на выходе которого формируются три параллельные потока, несущие информацию о соседних строках информационного поля, которые, пройдя обработку в блоке 8 окончательной обработки, формируют сигнал, соответствующий кадру телевидения высокой четкости. В блоке 3 управления формируются все необходимые команды для управления ПЗС-матрицами, коммутатором, а также сигналы тактовой частоты 13,5 МГц и учетверенной частоты для управления блоками памяти и коммутатором.

Наиболее выгодно применять предлагаемую камеру в промышленном и военном телевидении вследствие ее дешевизны, а также для формирования сигнала яркости в передающих камерах цветного телевидения высокой четкости, строящихся по колориметрическим схемам Y, R, B и W, R, B.

Использованные источники
1. GP-US502 Цветная видеокамера с микроголовкой на трех ПЗС. Panasonic. Вещательное и профессиональное оборудование. Общий каталог, 1994-1995.

2. Патент США N 5229848 "Схема обработки видеосигнала, считываемого с ПЗС, при использовании пространственного сдвига ПЗС", 1993.

3. WJ-MX30 Цифровой микшер для видеопроизводства. Panasonic. Вещательное и профессиональное оборудование. Общий каталог, 1994-1995.

4. WV-E550 Камера с цифровой обработкой видеосигнала. Panasonic. Вещательное и профессиональное оборудование. Общий каталог, 1994-1995.

5. П. П.Олефиренко. Цифровые решения на сегодня и завтра - новый лозунг SONY. Техника кино и телевидения, 1997, N 9, стр. 19-21.

6. SMPTE Jornel, August 1990, p. 612-619).

Способ получения телевизионного изображения высокой четкости в камере на обычных ПЗС, сдвинутых относительно друг друга вдоль двух осей координат, видеосигналы которых, пройдя необходимую обработку, записываются в блок памяти таким образом, что создают информационное поле, и после гребенчатой фильтрации и полной апертурной коррекции образуют видеосигнал телевидения высокой четкости. Устройство, реализующее указанный выше способ, - телевизионная камера, содержащая оптический блок, два идентичных канала, каждый из которых содержит ПЗС, АЦП, блок предварительной обработки и блок памяти. Устройство содержит также коммутатор и блок окончательной обработки, которые формируют видеосигнал ТВЧ. Управление всеми функциональными блоками осуществляется блоком управления, являющимся неотъемлемой частью устройства. Техническим результатом изобретения является формирование изображения высокой четкости с использованием ПЗС-матриц, рассчитанных на обычные стандарты разложения. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ получения телевизионного изображения высокой четкости в камере на обычных ПЗС, рассчитанных на обычные стандарты разложения, заключающийся в получении видеосигнала от двух ПЗС-матриц, на которые одновременно проецируется оптическое изображение передаваемого объекта, причем матрицы сдвинуты относительно друг друга, отличающийся тем, что сдвиг осуществлен вдоль обеих осей декартовых координат, а оба телевизионных сигнала, полученные от матриц, параллельно и построчно преобразовываются каждый в своем канале обработки видеосигнала в цифровой код, балансируются по уровням "черного" и белого" с точностью до одного младшего разряда квантования, проходят необходимую обработку и записываются в блок памяти, благодаря чему создается информационное поле, в котором ячейки поэлементной памяти заполнены предварительно обработанным сигналом и расположены в шахматном порядке так, что сигналы, соответствующие кадру первого телевизионного изображения и сдвинутые относительно сигналов, соответствующих кадру второго телевизионного изображения по горизонтали и вертикали, создают описанное информационное поле и после параллельно-последовательного считывания на учетверенной тактовой частоте по принципу "через элемент/через строку" при помощи трехканального коммутатора создают выходной цифровой поток, в котором проводится окончательная обработка в виде гребенчатой фильтрации и полной апертурной коррекции. 2. Устройство, реализующее способ по п.1, содержащее оптический блок, преобразователь свет/сигнал, блок управления, отличающееся тем, что имеющиеся в нем ПЗС-матрицы сдвинуты по отношению друг к другу вдоль обеих осей координат и, кроме того, в него введены два аналого-цифровых преобразователя, два блока памяти, блок предварительной обработки видеосигналов, блок окончательной обработки видеосигналов и коммутатор, причем выходы оптического блока создают изображения в плоскости ПЗС-матриц, выходы которых соединены со входами аналого-цифровых преобразователей, выходы которых через блоки предварительной обработки соединены с соответствующими входами блоков памяти, выходы которых соединены со входами коммутатора, выход которого соединен со входом блока окончательной обработки, выход которого является выходом устройства, причем управляющие входы ПЗС-матриц, аналого-цифровых преобразователей, блоков памяти и коммутатора соединены с соответствующими выходами блока управления.