ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ГОРЯЧЕГО ПРОКАТА Российский патент 2007 года по МПК H04N7/18 

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике, обеспечивающей возможности селективного масштабирования изображения, а в ней - к аппаратуре промышленного телевидения, используемой для технологического контроля при производстве проката.

Известна технологическая система для наблюдения за перемещением горячего проката [1], состоящая из телевизионной камеры с селективным масштабированием изображения, блока управления (пульта управления), видеомонитора и неподвижной измерительной линейки, расположенной параллельно движущемуся по рольгангу прокату. Оператор на экране видеомонитора наблюдает комбинированное изображение, в центральном "окне" которого передается увеличенное изображение переднего конца "въезжающего" проката и делений линейки, а вне "окошка" - в нормальном масштабе (без увеличения) изображение всей технологической обстановки, включая прокат и линейку на всю длину. Контролируя процесс по изображению, оператор с пульта управления должен затормозить движение проката, остановив его напротив соответствующего деления (отметки) линейки, а с другой стороны, - не потерять информацию о технологической обстановке в целом.

Недостатком аналога является низкое качество изображения вне "окна", определяемое ограниченным динамическим диапазоном передаваемых телевизионной камерой градаций яркости. В результате видеосигнал от темных и/или низко освещенных деталей для наблюдаемого вне "окна" объекта может либо существенно уменьшиться, либо "уйти" в черное.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телевизионную систему для наблюдения за перемещением горячего проката [2], в состав которой входит телевизионная камера с селективным масштабированием изображения, содержащая последовательно расположенные и оптически связанные входной объектив и светоделитель, а также селектор синхроимпульсов, коммутатор-смеситель и формирователь сигналов рамки и "окошка", причем первый выход светоделителя является выходом нормального оптического изображения и оптически связан с фотомишенью первого датчика телевизионного сигнала, а второй выход светоделителя - выходом увеличенного оптического изображения и оптически связан с фотомишенью второго датчика телевизионного сигнала, блок позиционирования, содержащий первый и второй приводы и кинематически с ними связанные соответственно первый и второй датчики положения, при этом первый и второй приводы осуществляют наведение второго датчика телевизионного сигнала соответственно по горизонтали и вертикали, вход "Синхро" которого подключен к выходу "Синхро" первого датчика телевизионного сигнала, выход "Видео" которого подключен соответственно к входу селектора синхроимпульсов и к первому информационному входу коммутатора-смесителя, второй информационный вход которого подключен к выходу "Видео" второго датчика телевизионного сигнала, а третий информационный вход - к первому выходу формирователя сигналов рамки и "окошка", вход строчной и вход кадровой синхронизации которого подключены соответственно к первому и второму выходам селектора синхроимпульсов, а второй выход - к четвертому информационному входу коммутатора-смесителя, выход которого является выходом "Видео" телевизионной камеры.

Пространственное наведение второго датчика телевизионного сигнала, осуществляемое в пределах оптического кадра входного объектива, обеспечивает следующие варианты взаимного расположения геометрических центров фотомишеней первого и второго датчиков:

- совпадают по вертикали и горизонтали;

- совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали;

- совпадают по горизонтали и разнесены по вертикали;

- разнесены по вертикали и горизонтали.

Недостаток прототипа - ограниченный динамический диапазон градаций яркости для объектов контроля, передаваемых в комбинированном изображении вне "окна".

Задача изобретения - расширение динамического диапазона градаций яркости для объектов контроля, передаваемых в комбинированном изображении вне "окна", путем повышения отношения сигнал/шум для темных и/или низко освещенных деталей этих объектов.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телевизионную систему для наблюдения за движением горячего проката, в состав которой входит телевизионная камера с селективным масштабированием изображения, которая содержит последовательно расположенные и оптически связанные входной объектив и светоделитель, а также селектор синхроимпульсов, коммутатор-смеситель и формирователь сигналов рамки и "окошка", причем первый выход светоделителя является выходом нормального оптического изображения и оптически связан с фотомишенью первого датчика телевизионного сигнала, а второй выход светоделителя - выходом увеличенного оптического изображения и оптически связан с фотомишенью второго датчика телевизионного сигнала, при этом геометрические центры фотомишеней первого и второго датчиков телевизионного сигнала совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали, а вход "Синхро" второго датчика телевизионного сигнала подключен к выходу "Синхро" первого датчика телевизионного сигнала, выход "Видео" которого подключен соответственно к входу селектора синхроимпульсов и к первому информационному входу коммутатора-смесителя, второй информационный вход которого подключен к выходу "Видео" второго датчика телевизионного сигнала, а третий информационный вход - к первому выходу формирователя сигналов рамки и "окошка", вход строчной и вход кадровой синхронизации которого подключены соответственно к первому и второму выходам селектора синхроимпульсов, а второй выход - к четвертому информационному входу коммутатора-смесителя, выход которого является выходом "Видео" телевизионной камеры, введены последовательно соединенные видеомонитор и блок управления, второй выход которого подключен к управляющему входу коммутатора-смесителя телевизионной камеры, выход "Видео" которой подключен к входу блока управления, при этом величина порога срабатывания электронного затвора первого датчика телевизионного сигнала, устанавливаемая по его входу "Управление экспозицией", смещена относительно значения порога срабатывания электронного затвора второго датчика телевизионного сигнала и время накопления (t_н1) первого датчика телевизионного сигнала может быть определено соотношением:

Т_н.макс.≥t_н1>t_н2,

где t_н2 - время накопления второго датчика телевизионного сигнала для максимальной освещенности сцены при типовом значении порога срабатывания электронного затвора;

Т_н.макс. - максимально допустимое время накопления по телевизионному стандарту.

Предполагается, что требуемая установка порога срабатывания электронного затвора первого датчика может быть выполнена вручную по его входу "Управление экспозицией" путем плавной или скачкообразной регулировки напряжения на установочном входе схемы сравнения уровней.

В дальнейшем изложении автоматически регулируемую величину экспозиции первого датчика, обозначенную t_н1, назовем "длинное" время накопления, а автоматически регулируемую величину экспозиции второго датчика t_н2 - "короткое" время накопления.

При необходимости установка порога срабатывания электронного затвора первого датчика телевизионного сигнала и переключение этого порога срабатывания на его типовое значение могут быть выполнены дистанционно при помощи сигналов, подаваемых на вход "Управление экспозицией" этого датчика от внешнего блока управления.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая телевизионная система отличается наличием новых блоков, в т.ч. блока управления и видеомонитора, а также наличием новых связей между новыми и остальными блоками.

Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.

В предлагаемом решении первичное формирование составляющих видеосигнала комбинированного изображения выполняется в зарядовой форме на мишенях первого и второго датчиков телевизионного сигнала при различных временах экспозиции, оптимальных или близких к оптимальным значениям для каждого из передаваемых фрагментов сцены. В выходном изображении телевизионной системы яркие и светлые детали (горячий прокат, измерительная линейка) передаются, как и в прототипе, без ограничения в белом, но только в пределах "окна". Вне "окна" эти детали в сигнале комбинированного изображения не передаются. Поэтому отношение сигнал/шум (ψ) для передаваемых вне "окна" темных и/или низко освещенных деталей сцены увеличивается пропорционально увеличению для них времени накопления фотоприемника. По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.

На фиг.1 изображена структурная схема заявляемой телевизионной системы, на фиг.2 - изображения с экрана видеомонитора, поясняющие работу системы, при этом на фиг.2а, 2в и 2д представлены изображения в режиме "Общий вид" для трех последовательных временных моментов, а на фиг.2б, 2г и 2е - изображения в режиме "Комбинированное изображение" в эти моменты соответственно.

Заявляемая телевизионная система для наблюдения за перемещением горячего проката (см. фиг.1) состоит из последовательно связанных по видеосигналу телевизионной камеры 1, блока 2 управления и видеомонитора 3, причем телевизионная камера 1 содержит последовательно расположенные и оптически связанные входной объектив 1-1 и светоделитель 1-2, первый выход которого является выходом нормального оптического изображения и оптически связан с фотомишенью первого датчика 1-3 телевизионного сигнала, а второй выход светоделителя 1-2 - выходом увеличенного оптического изображения и оптически связан с фотомишенью второго датчика 1-4 телевизионного сигнала, при этом геометрические центры фотомишеней датчиков 1-3 и 1-4 совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали, а выход "Видео" первого датчика 1-3 подключен к входу селектора 1-5 синхроимпульсов и соответственно к первому информационному входу коммутатора-смесителя 1-6, второй информационный вход которого подключен к выходу "Видео" второго датчика 1-4, третий информационный вход - к первому выходу формирователя 1-7 сигналов рамки и "окошка", четвертый информационный вход - к второму выходу формирователя 1-7, а управляющий вход - к первому выходу блока 2 управления, при этом вход строчной синхронизации формирователя 1-7 подключен к первому выходу селектора 1-5 синхроимпульсов, второй выход которого подключен к входу кадровой синхронизации формирователя 1-7, при этом выход "Синхро" первого датчика 1-3 подключен к входу "Синхро" второго датчика 1-4, а выход коммутатора-смесителя 1-6 является выходом "Видео" телевизионной камеры 1.

Величина разнесения по горизонтали геометрических центров фотомишеней датчиков 1-3 и 1-4 определяется величиной 1/2(L-l), где L - ширина оптического кадра входного объектива 1-1, l - ширина фотомишени датчика 1-4.

Дистанционная установка порога срабатывания электронного затвора первого датчика 1-3 телевизионного сигнала и переключение этого порога срабатывания на его типовое значение могут быть выполнены при помощи второго выхода блока 2 управления, который подключен к входу "Управление экспозицией" этого датчика.

В поле зрения телевизионной камеры 1, как показано на фиг.1, находятся: движущийся горячий прокат (поз.4), измерительная линейка (поз.5), а также окружающие их объекты технологической обстановки.

Светоделитель 1-2, как и в прототипе, содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало 1-2-1, коллективную линзу 1-2-2, отражающее зеркало 1-2-3 и дополнительный объектив 1-2-4, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала 1-2-1, первый выход светоделителя - с выходом объектива 1-2-4, а второй выход светоделителя - с вторым выходом полупрозрачного зеркала 1-2-1.

В заявляемом решении датчики телевизионного сигнала 1-3 и 1-4, как и в прототипе, синхронизированы в режиме Genlock с привязкой частоты и фазы горизонтальной и вертикальной разверток по сигналу синхронизации приемника (ССП) от датчика 1-3.

Особенностью датчика 1-3 телевизионного сигнала является наличие входа "Управление экспозицией" и возможность местно или дистанционно установить по этому входу порог срабатывания электронного затвора.

Блок 2 управления предназначен для дистанционного выбора режимов работы телевизионной камеры 1 и трансляции видеосигнала от нее на видеомонитор 3. На первом выходе блока 2 управления вырабатываются: логическая "1" в режиме "Общий вид" и логический "0" в режиме "Комбинированное изображение". На втором выходе блока 2 формируется кодовая комбинация из нулей и единиц, обеспечивающая установку необходимой величины смещения порога срабатывания электронного затвора первого датчика 1-3 в режиме "Комбинированное изображение" и коммутацию этого порога срабатывания на типовое значение в режиме "Общий вид". В качестве блока 2 управления может быть использован системный блок компьютера, обеспечивающий подачу указанных команд через интерфейс, например RS-232.

Формирователь 1-7 предназначен для получения:

- сигнала прямоугольной рамки на первом выходе;

- сигнала "окошка" на втором выходе.

Формирование обоих сигналов целесообразно выполнить цифровым методом, например на базе широко применяемого в России процессора PIC16C73-201/SP.

Как и в прототипе, размеры рамки определяются соотношениями:

а=Х/К_м,

b=Y/К_м,

где Х и Y - размеры растра по горизонтали и вертикали соответственно;

К_м - кратность масштабирования изображения.

В отличие от прототипа рамка и "окно" занимают единственное (фиксированное) положение в пределах растра. Формат рамки, как и в прототипе, равен а/b=4/3, где а - ширина рамки, b - высота рамки

Ширина "окна" (А) равна длительности активной части строки, т.е. А=X, а высота "окна" (В) совпадает с вертикальным размером рамки (b), т.е. В=b, но само "окно" всегда расположено в центре изображения симметрично относительно горизонтальной оси экрана. Координаты геометрического центра рамки: по горизонтали - (X-а/2), а по вертикали - (Y/2), где Y - высота экрана.

Для увеличения длины горячего проката, находящегося в поле зрения телевизионной системы, входной объектив 1-1 должен иметь широкий угол поля зрения при стандартной величине формата кадра 4/3. Например, отечественный объектив "Зенитар-М 2,8/16" может обеспечить для диагонали фотомишени датчика 1-3, равной 1/3 дюйма, поле зрения по горизонтали не менее 100 угловых градусов.

Светоделитель 1-2, второй датчик 1-4, селектор 1-5 синхроимпульсов и коммутатор-смеситель 1-6 по назначению и схемотехническому исполнению не отличаются от соответствующих блоков прототипа.

Телевизионная система (см. фиг.1) работает следующим образом. Выделим в работе заявляемой системы два упомянутых ранее режима:

- "Общий вид";

- "Комбинированное изображение".

Оба этих режима имеют непосредственное отношение к телевизионной камере 1, а поэтому являются и ее режимами.

Как и в прототипе, независимо от режима работы камеры входное оптическое изображение по оптическому пути: входной объектив 1-1, полупрозрачное зеркало 1-2-1, коллективная линза 1-2-2, отражающее зеркало 1-2-3, дополнительный объектив 1-2-4 проецируется на фотомишень первого датчика 1-3 телевизионного сигнала. Одновременно увеличенный (в соответствии с кратностью масштабирования светоделителя 1-2) фрагмент этого изображения, границы которого определяются электронной рамкой, по другому оптическому пути: входной объектив 1-1, полупрозрачное зеркало 1-2-1 проецируется на фотомишень второго датчика 1-4 телевизионного сигнала.

Отметим, что кратность масштабирования (К_м) светоделителя, как и в прототипе, определяется отношением ширины (высоты) оптического кадра входного объектива 1-1 к соответствующим сторонам фотомишени второго датчика 1-4.

Предположим, что предварительно величина порога срабатывания электронного затвора первого датчика 1-3 установлена местно по входу "Управление экспозицией" со смещением относительно значения порога срабатывания электронного затвора второго датчика 1-4, т.е. датчик 1-3 обеспечивает "длинное" время накопления (t_н1), а датчик 1-4 - "короткое" время накопления (t_н2).

В результате фотоэлектрического преобразования оптическое изображение каждого из датчиков преобразуется далее в соответствующие видеосигналы, а из полного телевизионного сигнала, формируемого на выходе датчика 1-3, селектор 1-5 выделяет строчные и кадровые синхроимпульсы.

Пусть с блока 2 управления в телевизионной системе устанавливается режим "Общий вид". Тогда с первого выхода блока 2 на управляющий вход коммутатора-смесителя 1-6 подается сигнал логической "1". В блоке 1-6 выполняется микширование видеосигнала нормального изображения, поступающего на его первый информационный вход, с сигналом рамки, подаваемым на его третий информационный вход. На экране видеомонитора 3 должно воспроизводиться нормальное изображение объекта с наложенной на него рамкой.

Предварительно выполненная пространственная ориентация телевизионной камеры 1 должна быть такой, чтобы изображение измерительной линейки 5 было расположено в центре экрана параллельно его ширине, как показано на фиг.2а. Одновременно оператор наблюдает на экране видеомонитора 3 появляющееся слева изображение горячего проката.

Основная задача оператора состоит в том, чтобы проконтролировать появление переднего конца проката 4, движущегося параллельно измерительной линейке 5, на заключительном ее участке, т.е. когда прокат "войдет" в рамку, остановив движение напротив заданной отметки на линейке.

При переводе телевизионной системы в режим "Комбинированное изображение" на управляющем входе коммутатора-смесителя 1-7 устанавливается сигнал логического "0", а на его выходе, а следовательно, и выходе "Видео" телевизионной камеры формируется полный телевизионный сигнал синтезированного изображения, состоящий из сигнала увеличенного "внутрирамочного" фрагмента в границах "окна" и сигнала нормального изображения на его остальной части (см. фиг.2б). Отметим, что изображение горячего проката в "окне" не передается, т.к. в данное время прокат не находится в поле зрения датчика 1-4. Учитывая, что в поле зрения датчика 1-4 находится металлическая линейка 4 с высоким коэффициентом отражения светового потока, время накопления (t_н2) для датчика 1-4 автоматически установится на достаточно малую величину.

В заявляемом решении составляющая комбинированного изображения вне "окна" не содержит изображения проката, поэтому ее формирование, выполняемое датчиком 1-3 при "длинном" времени накопления (t_н1), будет оптимальным или близким к оптимальному значению экспозиции для данных объектов (деталей) сцены с малой яркостью и/или пониженной освещенностью.

Затем в процессе технологического перемещения горячего проката его оптическое изображение попадает в поле зрения датчика 1-4 (см. фиг.2в), поэтому в "окне" комбинированного изображения наблюдается появление увеличенного телевизионного изображения переднего конца "въезжающего" проката (см. фиг.2г). Отметим, что реальная величина времени накопления (t_н2) датчика 1-4 за счет сильного светового излучения в этой ситуации будет меньше, чем в предыдущий момент.

Допустим, что процесс транспортирования проката должен быть остановлен оператором на отметке измерительной линейки 4, которая расположена напротив геометрического центра рамки, что для комбинированного изображения соответствует его середине по горизонтали. Тогда оператор плавно тормозит движение проката, добиваясь полной его остановки в момент передачи изображения на экране видеомонитора, показанного на фиг.2е. Очевидно, что в этом случае изображение проката занимает половину поля зрения датчика 1-4 по горизонтали (см. фиг.2д). Следует отметить, что переключение телевизионной системы в режим "Общий вид" для получения изображений, показанных на фиг.2в и фиг.2д, практически не приносит дополнительной информации оператору при наблюдении за перемещением горячего проката, а поэтому переход к этим изображениям может быть исключен из числа необходимых технологических операций. Достаточным можно считать предъявление оператору изображений в следующей последовательности: фиг.2а, фиг.2б, фиг.2г и фиг.2е.

В изображении общего плана технологической обстановки, передаваемого в комбинированном изображении датчиком 1-3 при "длинном времени" накопления (t_н1), обеспечивается повышенное отношении сигнал/шум для темных и/или низко освещенных деталей этой сцены, а следовательно, расширение динамического диапазона градаций яркости этого изображения.

Выигрыш в динамическом диапазоне может быть в первом приближении оценен коэффициентом, равным отношению величины "длинного времени" (t_Н1) к величине "короткого времени" (t_Н2).

Если по условиям эксплуатации телевизионной системы необходимо иметь дистанционное управление порогом срабатывания электронного затвора первого датчика 1-3 и переключение порога на типовое значение, то это может быть обеспечено по команде с блока 2 управления при подключении его второго выхода к входу "Управление экспозицией" этого датчика. Тогда дистанционно устанавливаемый в режиме "Комбинированное изображение" порог срабатывания электронного затвора датчика 1-3 отличается от порога срабатывания электронного затвора датчика 1-4 совершенно аналогично, как и при описанном выше управлении по месту. В режиме "Общий вид" автоматическая коммутация обеспечивает совпадение этих порогов, что исключает возможность ограничения в белом в этом режиме для появляющегося в поле зрения телевизионной системы изображения горячего проката.

В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Кузьмин В.П., Челпанов В.И., Родионов О.Ф., Камышев Г.А., Антонов В.Е., Смелков В.М., Смоляков Ю.А. Телевизионная система наблюдения за горячим прокатом. // Производство проката. - 2000. - №4, - с.36-38.

2. Патент №2171014 РФ. МКИ⁷ H04N 5/225, 5/228. Телевизионная камера с селективным масштабированием / В.М.Смелков, Ю.А.Смоляков, Н.Н.Егорова, В.М.Петрова//Б.И. - 2001. - №20.

Изобретение относится к телевизионной технике, обеспечивающей возможности селективного масштабирования изображения, а в ней - к аппаратуре промышленного телевидения, используемой для технологического контроля при производстве. Технический результат заключается в расширении динамического диапазона градаций яркости для объектов контроля. Технический результат достигается тем, что составляющие комбинированного изображения - с увеличенным масштабом и нормальное (без масштабирования) - формируются в зарядовой форме на мишенях первого и второго телевизионных датчиков при различных временах экспозиции, оптимальных для каждого из передаваемых фрагментов сцены. Благодаря этому в выходном изображении телевизионной системы яркие и светлые детали (горячий прокат, измерительная линейка) передаются, как и в прототипе, без ограничения в белом, зато темные и/или низко освещенные детали передаются с высоким отношением сигнал/шум, и динамический диапазон градаций яркости расширяется. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Телевизионная система для наблюдения за перемещением горячего проката, состоящая из телевизионной камеры с селективным масштабированием изображения, которая содержит последовательно расположенные и оптически связанные входной объектив и светоделитель, а также селектор синхроимпульсов, коммутатор-смеситель и формирователь сигналов рамки и "окошка", причем первый выход светоделителя является выходом нормального оптического изображения и оптически связан с фотомишенью первого датчика телевизионного сигнала, а второй выход светоделителя - выходом увеличенного оптического изображения и оптически связан с фотомишенью второго датчика телевизионного сигнала, при этом геометрические центры фотомишеней первого и второго датчиков телевизионного сигнала совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали, а вход "Синхро" второго датчика телевизионного сигнала подключен к выходу "Синхро" первого датчика телевизионного сигнала, выход "Видео" которого подключен соответственно к входу селектора синхроимпульсов и к первому информационному входу коммутатора-смесителя, второй информационный вход которого подключен к выходу "Видео" второго датчика телевизионного сигнала, а третий информационный вход - к первому выходу формирователя сигналов рамки и "окошка", вход строчной и вход кадровой синхронизации которого подключены соответственно к первому и второму выходам селектора синхроимпульсов, а второй выход - к четвертому информационному входу коммутатора-смесителя, выход которого является выходом "Видео" телевизионной камеры, отличающаяся тем, что введены последовательно соединенные видеомонитор и блок управления, первый выход которого подключен к управляющему входу коммутатора-смесителя телевизионной камеры, выход "Видео" которой подключен к входу блока управления, при этом величина порога срабатывания электронного затвора первого датчика телевизионного сигнала, устанавливаемая по его входу "Управление экспозицией", смещена относительно значения порога срабатывания электронного затвора второго датчика телевизионного сигнала и время накопления (t_Н1) первого датчика телевизионного сигнала может быть определено соотношением:

Т_н.макс.≥t_Н1>t_Н2,

где t_Н2 - время накопления второго датчика телевизионного сигнала для максимальной освещенности сцены при типовом значении порога срабатывания электронного затвора;

Т_н.макс.- максимально допустимое время накопления по телевизионному стандарту.