ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ГОРЯЧЕГО ПРОКАТА Российский патент 2013 года по МПК H04N7/18 

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике, обеспечивающей возможности селективного масштабирования изображения, а в ней - к аппаратуре промышленного телевидения, которая выполнена с использованием фотоприемников в виде матриц приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС) и компьютеров, а предназначена для технологического контроля при производстве проката.

Известна технологическая система для наблюдения за перемещением горячего проката [1], состоящая из телевизионной камеры (телекамеры) с селективным масштабированием изображения, блока управления (пульта управления), видеомонитора и неподвижной измерительной линейки, расположенной параллельно раскаленному прокату, транспортируемому по приводному рольгангу. Оператор на экране видеомонитора наблюдает комбинированное изображение, в центральном «окне» которого передается увеличенное изображение переднего конца «въезжающего» проката и делений линейки, а вне «окна» - 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 телекамерой градаций яркости формируемого черно-белого изображения. В результате видеосигнал от темных и/или низко освещенных деталей для наблюдаемого вне «окна» объекта может либо существенно уменьшиться, либо вообще «уйти» за уровень черного.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телевизионную систему для наблюдения за перемещением горячего проката [2], транспортируемого по приводному рольгангу, которая состоит из телекамеры с селективным масштабированием изображения, содержащей последовательно расположенные и оптически связанные входной объектив, светоделитель и два датчика телевизионного сигнала (ДТС), выполненные на основе матриц ПЗС, а также селектор синхроимпульсов, коммутатор-смеситель и формирователь сигналов «рамка» и «окошко», причем первый выход светоделителя является выходом нормального оптического изображения и оптически связан с фотомишенью первого ДТС, а второй выход светоделителя - выходом увеличенного оптического изображения и оптически связан с фотомишенью второго ДТС, при этом геометрические центры фотомишеней первого и второго ДТС совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали, а вход «синхро» второго ДТС подключен к выходу «синхро» первого ДТС, 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 ДТС, а третий информационный вход - к первому выходу формирователя сигналов «рамка» и «окошко», 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» телекамеры, а управляющий вход - управляющим входом телекамеры; причем в состав телевизионной системы входят также последовательно соединенные видеомонитор и блок управления, вход которого подключен к выходу «видео» телекамеры, а выход «Выбор режима видео» - к управляющему входу телекамеры, при этом величина порога срабатывания электронного затвора первого ДТС, устанавливаемая по его входу «управление экспозицией», смещена относительно значения порога срабатывания электронного затвора второго ДТС и время накопления (t_н1) первого ДТС может быть определено соотношением:

T_н.макс≥t_н1>t_н2,

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

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

В прототипе обеспечивается расширение динамического диапазона изображения для объектов контроля, передаваемых в комбинированном изображении вне «окна», но это расширение ограничено на нижнем интервале диапазона малым отношением сигнал/шум для темных и/или низкоосвещенных деталей этих объектов, т.к. длительностью накопления информационных зарядов в матрице ПЗС не превышает длительности одного телевизионного кадра.

Задача изобретения - дополнительное расширение динамического диапазона изображения для объектов контроля, передаваемых в комбинированном изображении вне «окна», путем повышения в выходном видеосигнале телекамеры отношения сигнал/шум для темных и/или низко освещенных деталей этих объектов за счет увеличения длительности накопления информационных зарядов в фотоприемнике.

Для устройства прототипа предполагается наличие следующих признаков:

- на передающей стороне телевизионной системы располагается телекамера, а на приемной стороне - видеомонитор и блок управления;

- между блоками передающей и приемной стороны осуществлена линия связи, выполняющая по двум жилам кабеля соединения: выхода «видео» телекамеры с входом блока управления и соответственно выхода «Выбор режима видео» блока управления с управляющим входом телекамеры;

- в качестве видеомонитора и блока управления может быть использован персональный компьютер, например, компьютер с операционной системой Windows XP, в котором установлен продукт серии AVerTV [3];

Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телевизионную систему для наблюдения за движением горячего проката, транспортируемого по приводному рольгангу, которая содержит на передающей стороне телекамеру, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя, двух ДТС, выполненных на основе матриц ПЗС, причем первый выход светоделителя является выходом нормального оптического изображения и оптически связан с фотомишенью первого ДТС, а второй выход светоделителя - выходом увеличенного оптического изображения и оптически связан с фотомишенью второго ДТС, при этом геометрические центры фотомишеней первого и второго ДТС совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали, а вход «синхро» второго ДТС подключен к выходу «синхро» первого ДТС, на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером проложена линия связи, по одной из жил кабеля которой выполняется соединение выходного управляющего сигнала на компьютере с управляющим входом телекамеры, введены редуктор, шторка и блок управления шторкой (БУШ), причем шторка, кинематически связанная через редуктор с ведущим валом рольганга, пространственно ориентирована относительно фотомишени первого ДТС так, что при своем движении синхронно с прокатом шторка изолирует от фотомишени оптическую проекцию изображения проката, создавая на фотомишени монотонно нарастающее по площади «окно» непрозрачности, при этом в процессе движения шторка испытывает усилие, вырабатываемое на выходе БУШ, и возвращается в исходное начальное положение при снятии этого усилия, первый ДТС телекамеры выполнен на основе матрицы ПЗС с организацией «строчно-кадровый перенос», а второй ДТС - на основе матрицы ПЗС с организацией «строчный перенос», при этом в состав первого ДТС дополнительно введен формирователь импульсов (ФИ), обеспечивающий в матрице ПЗС суммирование зарядовых пакетов, накопленных в смежных кадрах, причем первый вход БУШ подключен к выходу «видео» первого ДТС, а второй вход БУШ является управляющим входом телекамеры, по двум другим жилам кабеля линии связи выполняется соединение первого и второго выходов «видео» телекамеры с соответствующими входами «видео» на компьютере, при этом выход «видео» первого ДТС является первым выходом «видео» телекамеры, а выход «видео» второго ДТС - вторым выходом «видео» телекамеры, в разъем расширения на материнской плате компьютера дополнительно установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера и предназначенная для преобразования первого и второго входных аналоговых видеосигналов в цифровую форму, ввода первого цифрового видеосигнала в оперативную память с периодом 2Т_к и вывода из нее с периодом T_к, где T_к - период кадра, формирования выходного управляющего сигнала «Управление шторкой», формирования управляющих сигналов «рамка» и «окошко», формирования цифровых видеосигналов в режимах «Общий вид» и «Комбинированное изображение», при этом выход видеосигнала платы видео является выходом сигнала изображения телевизионной системы.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая телевизионная система отличается наличием новых блоков в составе телекамеры, в том числе: редуктора, шторки и блока управления шторкой (БУШ); платы видео в составе компьютера; выполнением первого ДТС телекамеры на основе матрицы ПЗС с другой организацией («строчно-кадровый перенос»), наличием формирователя импульсов (ФИ) в составе первого ДТС, а также наличием в телекамере новых связей между новыми и остальными блоками.

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

В заявляемом решении, по сравнению с прототипом, составляющая видеосигнала телекамеры, формируемая первым ДТС, имеет выигрыш в отношении сигнал/шум в два раза за счет суммирования в фотоприемнике зарядовых сигналов смежных кадров. В результате отношение сигнал/шум в комбинированном изображении для передаваемых вне области проката темных и/или низко освещенных деталей сцены увеличивается в два раза пропорционально увеличению для них энергии полезного сигнала.

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 - структурная схема первого ДТС; на фиг.3 - функциональная схема технологической организации фотоприемника для первого ДТС; на фиг.4 - пример реализации электрической схемы ФИ в составе первого ДТС; на фиг.5 - временная диаграмма, поясняющая работу ФИ и первого ДТС; на фиг.6 - структурная схема блока управления шторкой (БУШ); на фиг.7 - возможная электрическая схема выполнения блока сопряжения «цифра-усилие», входящего в состав БУШ; на фиг.8…10 - изображения на экране монитора компьютера, поясняющие работу телевизионной системы, при этом на фиг.8а, 9а и 10а представлены изображения в режиме видео «Общий вид» для трех последовательных временных моментов, а на фиг.8б, 9б и 10б - изображения в режиме видео «Комбинированное изображение» в эти моменты соответственно.

Заявляемая телевизионная система для наблюдения за перемещением горячего проката (см. фиг.1 и фиг.2) содержит на передающей стороне телекамеру в позиции 1, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива 1-1, светоделителя 1-2 и двух ДТС 1-3 и 1-4, причем второй ДТС 1-4 выполнен на основе матрицы ПЗС с организацией «строчный перенос», а первый ДТС 1-3 - на основе матрицы ПЗС с организацией «строчно-кадровый перенос», состоящей из последовательно связанных зарядовой связью фото приемной секции 1-3-1-1, секции памяти 1-3-1-2, выходного регистра 1-3-1-3 и блока преобразования заряда в напряжение (БПЗН) 1-3-1-4, причем в состав ДТС 1-3 также входит генератор 1-3-2 управляющих импульсов, состоящий из временного контроллера 1-3-2-1, первого преобразователя уровней (ПУ) 1-3-2-2, второго ПУ 1-3-2-3 и третьего ПУ 1-3-2-4, при этом первый выход временного контроллера подключен к входу ПУ 1-3-2-2, второй выход временного контроллера - к входу ПУ 1-3-2-4, а третий выход временного контроллера - к тактовому входу ФИ 1-3-2-5, управляющий вход которого подключен к четвертому выходу временного контроллера, пятый выход которого подключен к тактовому входу сигнального процессора 1-3-3, выход управления которого подключен к управляющему входу временного контроллера; управляющие входы фотоприемной секции 1-3-1-1 матрицы ПЗС подключены к выходу ПУ 1-3-2-2, управляющие входы выходного регистра 1-3-1-3 матрицы ПЗС - к выходу ПУ 1-3-2-4, а управляющие входы секции памяти 1-3-1-2 матрицы ПЗС - через ПУ 1-3-2-3 к выходу ФИ 1-3-2-5; выход БПЗН 1-3-1-4 матрицы ПЗС подключен к информационному входу сигнального процессора 1-3-3, выход «видео» которого является выходом «видео» ДТС 1-3, выход «синхро» сигнального процессора - выходом «синхро» ДТС 1-3, а вход «синхро» сигнального процессора - входом «синхро» ДТС 1-3; первый выход светоделителя 1-2 телекамеры является выходом нормального оптического изображения и оптически связан с фотомишенью первого ДТС 1-3, а второй выход светоделителя 1-2 - выходом увеличенного оптического изображения и оптически связан с фотомишенью второго ДТС 1-4, при этом геометрические центры фотомишеней ДТС 1-3 и ДТС 1-4 совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали, а вход «синхро» ДТС 1-4 подключен к выходу «синхро» ДТС 1-3; в состав телекамеры также входят редуктор 1-5, шторка 1-6 и блок управления шторкой (БУШ) 1-7, причем шторка 1-6 кинематически связанная через редуктор 1-5 с ведущим валом рольганга, пространственно ориентирована относительно фотомишени ДТС 1-3 так, что при своем движении синхронно с прокатом шторка 1-6 изолирует от фотомишени ДТС 1-3 оптическую проекцию изображения проката, создавая на фотомишени ДТС 1-3 монотонно нарастающее по площади «окно» непрозрачности, при этом в процессе движения шторка 1-6 испытывает усилие, вырабатываемое на выходе БУШ 1-7, и возвращается в исходное начальное положение при снятии этого усилия, при этом первый вход БУШ 1-7 подключен к выходу «видео» ДТС 1-3, а второй вход БУШ 1-7 является управляющим входом телекамеры; выход «видео» ДТС 1-3 является первым выходом «видео» телекамеры, а выход «видео» ДТС 1-4 - вторым выходом «видео» телекамеры; на приемной стороне телевизионной системы расположен компьютер в позиции 3, причем на материнской плате компьютера в разъем расширения установлена плата видео, а между приемной и передающей сторонами проложена линия связи в позиции 2, состоящая из трех жил кабеля и обеспечивающая соединение первого и второго выходов «видео» телекамеры с соответствующими входами «видео» на компьютере, а также соединение выхода сигнала по команде «Управление шторкой» на компьютере с управляющим входом телекамеры.

В поле зрения телекамеры 1, как показано на фиг.1 находятся движущийся прокат (позиция 4), измерительная линейка (позиция 5), а также окружающие их объекты технологической обстановки. Приводной рольганг, транспортирующий прокат 4, занимает на фиг. 1 позицию 6. Ведущий вал рольганга имеет позиционное обозначение 6-1.

В заявляемом решении ДТС 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. Возможна и другая, не показанная на фиг.1, организация внешней синхронизации: по сигналу ССП с выхода «синхро» ДТС 1-4 на вход «синхро» ДТС 1-3.

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 - со вторым выходом полупрозрачного зеркала 1-2-1.

Величина разнесения по горизонтали геометрических центров фотомишеней ДТС 1-3 и 1-4 определяется величиной ½ (L-l),

где L - ширина оптического кадра входного объектива 1-1,

l - ширина фотомишени ДТС 1-4.

Если фотоприемниками обоих ДТС прототипа являются матрицы ПЗС с организацией «строчный перенос», то в заявляемом решении такой сенсор применяется только во втором ДТС 1-4.

В первом ДТС 1-3 в качестве сенсора использована матрица ПЗС (см. фиг.3), имеющая организацию «строчно-кадровый перенос» [3, с.42]. В зарубежной литературе, например [4, с.135-137], такую организацию ПЗС называют «кадрово-строчный перенос».

Сама система управления переносом в матрице ПЗС может быть двухфазной, трехфазной или четырехфазной в зависимости технологических особенностей производства фотоприемника.

Реализация строчно-кадрового переноса в сенсоре означает, что на кристалл матрицы ПЗС прототипа, имеющей организацию «строчный перенос», добавлена секция памяти 1-3-1-2, которая располагается между фотоприемной секцией 1-3-1-1 и выходным регистром 1-3-1-3.

Фотоприемная секция 1-3-1-1 новой 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.

Фотоприемная секция 1-3-1-1, как и у прототипа, снабжена электронным затвором, выполняющим электронную регулировку чувствительности путем управления временем накопления зарядовых носителей в течение кадрового периода.

Зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров секции 1-3-1-1 в промежутке интервала обратного хода кадровой развертки переносятся в секцию 1-3-1-2, а оттуда в последующем интервале прямого хода по кадру построчно переносятся в выходной регистр 1-3-1-3. Каждая зарядовая строка изображения затем поэлементно считывается через БПЗН 1-3-1-4, образуя на выходе «видео» фотоприемника электрический видеосигнал.

Изменяется и структурная схема ДТС 1-3 предлагаемого решения (см. фиг.2). Вводимый в состав генератора 1-3-2 управляющих импульсов дополнительно формирователь импульсов (ФИ) 1-3-2-5 предназначен для осуществления логического управления работой секции памяти 1-3-1-2 с целью суммирования в ней зарядовых пакетов смежных кадров.

Применительно к трехфазной системе управления фотоприемником электрическая схема ФИ 1-3-2-5 (см. фиг.4) может быть выполнена на цифровых микросхемах DD1 (два D-триггера), DD2 (три элемента «НЕ»), DD3 (три элемента «И») и DD4 (один элемент «ИЛИ»). Очевидно, что устройство ФИ 1-3-2-5 может быть выполнено и в составе большой интегральной микросхемы (БИС) временного контроллера 1-3-2-1

На управляющий вход ФИ 1-3-2-5 подаются с четвертого выхода временного контроллера 1-3-2-1 кадровые импульсы (см. фиг.5а).

На прямом выходе первого D-триггера микросхемы DD1.1 формируется меандр с частотой полукадров (см. фиг.5б), а на выходе второго D-триггера этой микросхемы осуществляется его задержка на время обратного хода кадровой развертки (длительность кадрового переноса) и вырабатывается импульс, показанный на фиг. 5в.

На тактовый вход ФИ 1-3-2-5 с третьего выхода временного контроллера 1-3-2-1 подаются трехфазные импульсные последовательности (см. фиг.5г…е), а с выхода ФИ 1-3-2-5 снимаются преобразованные последовательности, как показано соответственно на фиг.5ж…и.

В результате в фотоприемнике ДТС 1-3 зарядовые пакеты смежных кадров складываются в секции памяти 1-3-1-2 и хранятся в ней в течение одного кадра. Поэтому в композитном видеосигнале на выходе ДТС 1-3 сигнал изображения будет следовать с периодом 2Т_к, т.е. с пропуском, как представлено на фиг.5к.

Редуктор 1-5 предназначен для выполнения от ведущего вала 6-1 рольганга механической передачи (зубчатой и червячной) с целью обеспечения поступательного движения шторки 1-6 синхронно с транспортированием горячего проката 4.

В процессе перемещения горячего проката шторка 1-6, входящая в состав телекамеры, осуществляет изоляцию проекции оптического изображения раскаленного и яркосветящегося проката от фотомишени первого ДТС 1-3. Очевидно, что ширина шторки выбирается исходя из вертикального размера этой проекции проката.

Блок управления шторкой (БУШ) 1-7 предназначен для инициализации процесса движения шторки 1-6 и управления ее возвратом в исходное начальное положение.

БУШ 1-7 (см. фиг.6) содержит последовательно соединенные пиковый детектор 1-7-1 и компаратор 1-7-2, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению U_n, а выход компаратора 1-7-2 - к первому входу элемента «И» 1-7-3, второй вход которого подключен к выходу элемента «НЕ» 1-7-4, а выход элемента «И» 1-7-3 - к входу блока 1-7-5 сопряжения «цифра-усилие», при этом информационный вход пикового детектора 1-7-1 является первым входом БУШ, второй вход которого подключен к входу элемента «НЕ» 1-7-4 и соответственно к входу формирователя 1-7-6 импульса сброса, выход которого подключен к управляющему входу пикового детектора 1-7-1, а выход блока 1-7-5 сопряжения «цифра-усилие» является выходом БУШ.

Пиковый детектор 1-7-1 предназначен для регистрации наибольшего уровня напряжения в видеосигнале на его информационном входе. Погрешность спада выходного напряжения пикового детектора должна позволять хранить этот уровень на время цикла одной «поездки» проката.

Формирователь 1-7-6 импульса сброса обеспечивает обнуление пикового детектора 1-7-1. Схема блока 1-7-6 может быть выполнена на основе технического решения формирователя импульса по спаду сигнала, предложенного в работе [5, с.173].

Блок 1-7-5 сопряжения «цифра-усилие» предназначен для управления силовым механизмом электромагнита при помощи цифровой слаботочной электроники, выполненной по технологии КМОП. Электрическая схема блока 1-7-5 (см. фиг.7) в настоящей заявке выполнена на основе технического решения, предложенного в работе [6, с.222-223].

В исходном состоянии на обоих входах элемента «И» 1-7-3 устанавливается низкий логический уровень (логический «0»), тогда на его выходе тоже логический «0», а оптопара оказывается включенной. При этом запирается переход база - эмиттер транзистора VT1, а в результате отсутствует возбуждение транзистора VT2, и с обмотки электромагнита снято напряжение.

Если на оба входа элемента «И» 1-7-3 подается высокий логический уровень (логическая «1»), оптопара выключается, а транзистор VT1 отпирается, что приводит к открыванию и транзистора VT2. Тогда в обмотке электромагнита протекает ток, и в итоге создается необходимое усилие на шторку 1-6. Когда же на любой из входов элемента «И» 1-7-3 будет подан логический «0», то на его выходе установится тоже «0», а обмотка электромагнита будет обесточена.

Входной объектив 1-1 и светоделитель 1-2 телекамеры по назначению и схемотехническому исполнению не отличаются от соответствующих блоков прототипа. 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.

Компьютер 3 предназначен для выполнения следующих операций:

- преобразования первого и второго входных аналоговых сигналов изображения, транслируемых с телекамеры, в цифровые видеосигналы;

- ввода первого цифрового в оперативную память с периодом 2Т_к и вывода из нее с периодом Т_к, где Т_к - период кадра;

- формирования команд «Выбор режима видео» и «Управление шторкой»;

- формирование управляющих сигналов «рамка» и «окошко»;

- формирование и воспроизведение цифровых видеосигналов в режимах «Общий вид» и «Комбинированное изображение».

Наименование формируемых команд управления, обозначение выбираемых режимов и характеристика сопутствующих сигналов представлены в табл.1.

Таблица 1 Наименование команды Обозначение режима Сигнал «Выбор режима видео» «Общий вид» «1» «Комбинированное изображение» «0» «Управление шторкой» «Инициализация шторки» «0» «Возврат шторки» «1»

Все сигнальные операции и управляющие команды выполняются в соответствии с прикладной компьютерной программой, которая является неотъемлемой частью разработки данной телевизионной системы.

Очевидно, что подача команд управления может осуществляться с клавиатуры компьютера и/или помощи компьютерной мыши. Отметим, что команда «Выбор режима видео» распространяется в пределах компьютера, а поэтому является командой внутреннего пользования. Команда «Управление шторкой» - внешняя команда, т.к. она предназначена для управления работой телекамеры.

Отметим и другое существенное отличие предлагаемого решения телевизионной системы. Функции двух его блоков в составе телекамеры прототипа, а именно: формирователя сигналов «рамка» и «окошко» и коммутатора-смесителя, - теперь выполняются непосредственно в компьютере.

Как и в прототипе, размеры «рамки» определяются соотношениями:

a=X/K_м,; b=Y/К_м,

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

К_м - кратность масштабирования изображения.

Формат «рамки»: a/b=4/3,

где a - ширина рамки;

b - высота рамки.

Ширина «окна» (А) равна длительности активной (видимой) части строки, т.е. A=X, а высота «окна» (5) совпадает с вертикальным размером рамки (b), т.е. B=b, но само «окно», как и в прототипе, всегда расположено в центре изображения симметрично относительно горизонтальной оси экрана. Координаты геометрического центра рамки: по горизонтали - (X-a/2), а по вертикали - (Y/2), где Y - высота экрана.

Телевизионная система (см. фиг.1) работает следующим образом.

Как и в прототипе, 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 ДТС 1-3.

Одновременно увеличенный (в соответствии с кратностью масштабирования К_м 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 ДТС 1-4.

Отметим, что кратность масштабирования К_м светоделителя 1-2, как и в прототипе, определяется отношением ширины (высоты) оптического кадра входного объектива 1-1 к соответствующим сторонам фотомишени второго ДТС 1-4.

В результате фотоэлектрического преобразования оптическое изображение каждого из ДТС преобразуется далее в соответствующие композитные видеосигналы. Обозначим композитный видеосигнал на выходе ДТС 1-3 как «Видео 1», а композитный видеосигнал на выходе ДТС 1-4 - «Видео 2».

Затем оба аналоговых видеосигнала параллельно транслируются из телекамеры 1 по линии связи 2 на приемную сторону телевизионной системы, где поступают в компьютер 3.

На плате видео компьютера аналоговые видеосигналы «Видео 1» и «Видео 2» при помощи аналого-цифрового преобразования (АЦП) становятся цифровыми видеосигналами.

Цифровой видеосигнал «Видео 1» записывается в блок оперативной памяти, где хранится в течение длительности одного телевизионного кадра (T_к). Обновление информации в оперативной памяти происходит с периодом 2Т_к, а считывание видеосигнала «Видео 1» из памяти - с периодом T_к. Поэтому в выходном цифровом видеосигнале «Видео 1» информативные пропуски во времени будут устранены.

При подаче компьютерной команды «Общий вид» выполняется цифровое микширование этого сигнала «Видео 1» с сигналом электронной рамки.

Если будет подана компьютерная команда «Комбинированное изображение», то ее результатом будет цифровое микширование сигналов «Видео 1» и «Видео 2» по сигналу электронного окошка.

Необходимо отметить, что предварительно выполненная пространственная ориентация телекамеры 1 должна быть такой, чтобы изображение измерительной линейки 5 было расположено в центре экрана параллельно его ширине, как показано на фиг.8а. Одновременно оператор наблюдает на экране монитора появляющееся слева изображение горячего проката.

В этот момент оператор должен подать с компьютера 3 команду «Управление шторкой» для обеспечения в телекамере 1 режима «Инициализация шторки». В результате выполнения этой команды на второй вход БУШ 1-7 поступает сигнал логического «0» (см. табл.1), который затем инвертируется в элементе «НЕ» 1-7-4 (см. фиг.6), обеспечивая подачу сигнала логической «I» на второй вход элемента «И» 1-7-3. Одновременно положительный импульс, формируемый на выходе блока 1-7-6, обеспечивает обнуление пикового детектора 1-7-1.

По сигналу «видео», поступающего на первый вход БУШ 1-7 пиковый детектор 1-7-1 высоким уровнем на выходе регистрирует появляющийся передний конец раскаленного проката. Компаратор 1-7-2 в ситуации, когда U_видео>U_n, формирует на выходе высокий логический уровень («1»), который поступает на первый вход элемента «И» 1-7-3.

Поэтому на выходе элемента «И» 1-7-3 формируется тоже «1», по обмотке электромагнита протекает ток, а инициализация шторки 1-6 успешно выполнена. Ее итогом является осуществление механического сцепления шторки 1-6 с редуктором 1-5 и последующее поступательное движение шторки 1-6 синхронно с перемещением проката 4.

В результате в режиме «Инициализация шторки» в телекамере для ДТС 1-3 будет обеспечена полная физическая изоляция проекции оптического изображения перемещающегося проката от мишени его фотоприемника.

Одна из задач 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.

В режиме «Комбинированное изображение» плата видео в компьютере сформирует цифровой видеосигнал синтезированного изображения, состоящий из сигнала увеличенного «внутрирамочного» фрагмента в границах «окна», и сигнала нормального изображения на его остальной части (см. фиг.8б). Отметим, что изображение горячего проката в «окне» не передается, т.к. в данное время прокат не находится в поле зрения ДТС 1-4. Учитывая, что основное поле зрения датчика 1-4 занимает металлическая линейка 4 с высоким коэффициентом отражения светового потока, время накопления (t_н2) его фотоприемника автоматически установится на достаточно малую величину.

В заявляемом решении составляющая комбинированного изображения вне «окна» формируется ДТС 1-3 при времени накопления t_н1>t_н2, а ее продолжительность - t_н1 будет обязательно длиннее за счет суммирования в фотоприемнике зарядовых пакетов смежных кадров.

Поэтому соответственно будет увеличено отношение сигнал/шум в видеосигнале для объектов (деталей) сцены с малой яркостью и/или пониженной освещенностью.

Рассмотрим продолжение процесса технологического перемещения горячего проката, когда его оптическое изображение попадает в поле зрения датчика 1-4 (см. фиг.9а). Поэтому в «окне» комбинированного изображения наблюдается появление увеличенного телевизионного изображения переднего конца «въезжающего» проката (см. фиг.9б).

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 монитора, показанного на фиг.10б. Очевидно, что в этом случае изображение шторки, закрывающей прокат, занимает половину размера «рамки» по горизонтали (см. фиг.10а).

После завершения транспортирования горячего проката выполняется резка металла и снятие с рольганга заготовки - готового отрезка проката.

Оператор телевизионной системы в это время с компьютера 3 подает на телекамеру команду «Управления шторкой» в виде сигнала логической «1». В результате в блоке 1-7 элемент «И-НЕ» 1-7-3 (см. фиг.6) формирует на выходе низкий логический уровень, а в блоке 1-7-5 сопряжения (см. фиг.7) обесточивается электромагнит, возвращая шторку 1-6 в начальное исходное положение.

В дальнейшем операция по транспортированию горячего проката может быть повторена точно так же, как это было описано выше.

В изображении общего плана технологической обстановки, передаваемого в комбинированном изображении от ДТС 1-3 при «длительном времени» накопления (t_н1), величина которого потенциально составляет два телевизионных кадра.

За счет этого, а также по причине изоляции на мишени первого ДТС проекции яркосветящегося проката, обеспечивается повышенное отношение сигнал /шум для темных и/или низкоосвещенных деталей этой сцены, а, следовательно, расширение динамического диапазона градаций яркости этого изображения. Этот вывод одинаково справедлив как для монохромного (черно-белого) видеосигнала, так и для видеосигнала цветного изображения.

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. 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 №2299524 РФ. МПК H04N 7/18. Телевизионная система для наблюдения за перемещением горячего проката / В.М. Смелков, Н.С. Крылова, А.П. Огарков // Б.И. - 2007. - №14.

3. Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телевидение в системах физической защиты. - С.-Пб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001.

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

5. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники в трех томах. Том 2. Пер. с англ. - М.: «Мир», 1993.

6. Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. Пер. с англ. - М.: «Мир», 1985.

Изобретение относится к телевизионной технике, обеспечивающей возможности селективного масштабирования изображения. Техническим результатом является дополнительное расширение динамического диапазона изображения для объектов контроля, передаваемых в комбинированном изображении вне «окна», путем повышения в выходном видеосигнале телекамеры отношения сигнал/шум для темных и/или низко освещенных деталей этих объектов за счет увеличения длительности накопления информационных зарядов в фотоприемнике. Результат достигается тем, что в состав телекамеры прототипа введены редуктор, шторка и блок управления шторкой, в состав компьютера введена плата видео, а в телекамере первый датчик телевизионного сигнала выполнен на основе матрицы ПЗС с организацией «строчно-кадровый перенос», при этом введением в состав первого датчика дополнительного формирователя импульсов для организации тактового питания фотоприемника обеспечено суммирование зарядовых пакетов смежных кадров. 4 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

1. Телевизионная система для наблюдения за перемещением горячего проката, транспортируемого по приводному рольгангу, которая содержит на передающей стороне телевизионную камеру (телекамеру), состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя и двух датчиков телевизионного сигнала (ДТС), выполненных на основе матриц приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС), причем первый выход светоделителя является выходом нормального оптического изображения и оптически связан с фотомишенью первого ДТС, а второй выход светоделителя - выходом увеличенного оптического изображения и оптически связан с фотомишенью второго ДТС, при этом геометрические центры фотомишеней первого и второго ДТС совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали, а вход «синхро» второго ДТС подключен к выходу «синхро» первого ДТС, на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи, по одной из жил кабеля которой выполняется соединение выходного управляющего сигнала на компьютере с управляющим входом телекамеры, отличающаяся тем, что в состав телекамеры введены редуктор, шторка и блок управления шторкой (БУШ), причем шторка, кинематически связанная через редуктор с ведущим валом рольганга, пространственно ориентирована относительно фотомишени первого ДТС так, что при своем движении синхронно с прокатом шторка изолирует от фотомишени оптическую проекцию изображения проката, создавая на фотомишени монотонно нарастающее по площади «окно» непрозрачности, при этом в процессе движения шторка испытывает усилие, вырабатываемое на выходе БУШ, и возвращается в исходное начальное положение при снятии этого усилия, первый ДТС телекамеры выполнен на основе матрицы ПЗС с организацией «строчно-кадровый перенос», а второй ДТС - на основе матрицы ПЗС с организацией «строчный перенос», при этом в состав первого ДТС дополнительно введен формирователь импульсов (ФИ), обеспечивающий в матрице ПЗС суммирование зарядовых пакетов, накопленных в смежных кадрах, причем первый вход БУШ подключен к выходу «видео» первого ДТС, а второй вход БУШ является управляющим входом телекамеры, выход «видео» первого ДТС - первым выходом «видео» телекамеры, а выход «видео» второго ДТС 4 - вторым выходом «видео» телекамеры, при этом по двум другим жилам кабеля линии связи выполняется соединение первого и второго выходов «видео» телекамеры с соответствующими входами «видео» на компьютере, а в разъем расширения на материнской плате компьютера дополнительно установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера и предназначенная для преобразования первого и второго входных аналоговых видеосигналов в цифровую форму, ввода первого цифрового видеосигнала в оперативную память с периодом 2Т_к и вывода из нее с периодом Т_к, где Т_к - период кадра, формирования выходного управляющего сигнала «Управление шторкой», формирования управляющих сигналов «рамка» и «окошко», формирования цифровых видеосигналов в режимах «Общий вид» и «Комбинированное изображение», при этом выход видеосигнала платы видео является выходом сигнала изображения телевизионной системы.

2. Телевизионная система по п.1, отличающаяся тем, что светоделитель телекамеры содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива, а второй выход светоделителя - со вторым выходом полупрозрачного зеркала.

3. Телевизионная система по п.1, отличающаяся тем, что в телекамере первый и второй ДТС синхронизированы по сигналу синхронизации приемника от второго ДТС, выход «синхро» которого подключен к входу «синхро» первого ДТС.

4. Телевизионная система по п.1, отличающаяся тем, что блок управления шторкой (БУШ) телекамеры содержит последовательно соединенные пиковый детектор и компаратор, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению, а выход компаратора - к первому входу элемента «И», второй вход которого подключен к выходу элемента «НЕ», а выход элемента «И» - к входу блока сопряжения «цифра-усилие», при этом информационный вход пикового детектора является первым входом БУШ, второй вход которого подключен к входу элемента «НЕ» и соответственно к входу формирователя импульса сброса, выход которого подключен к управляющему входу пикового детектора, а выход блока сопряжения «цифра-усилие» является выходом БУШ.

5. Телевизионная система по п.2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что формирователь импульсов (ФИ) первого ДТС телекамеры выполнен в составе большой интегральной схемы (БИС) временного контроллера.