ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА С СЕЛЕКТИВНЫМ МАСШТАБИРОВАНИЕМ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H04N5/00 

Изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в системах наблюдения, которые выполнены с использованием фотоприемников в виде матриц приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС) и компьютеров. В такой системе на экране компьютерного монитора воспроизводится комбинированное изображение, которое по отношению к первоначально предъявляемому изображению состоит из увеличенного участка и остальной части с неизменным масштабом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телевизионную систему [1], содержащую в составе телевизионной камеры (телекамеры) первый объектив, оптически связанный с входом светоделителя, первый выход которого является «выходом нормального оптического изображения» (изображения общего вида) и оптически связан с фотомишенью первого датчика телевизионного сигнала (первого ДТС), а второй выход светоделителя является «выходом увеличенного оптического изображения» (изображения увеличенного фрагмента) и оптически связан с фотомишенью второго ДТС; блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования второго ДТС, и состоящий из первого привода, кинематически связанного с первым датчиком положения, и второго привода, кинематически связанного со вторым датчиком положения, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения; а также селектор синхроимпульсов, коммутатор-смеситель, блок задержки, формирователь сигнала синхронизации и формирователь сигнала рамки, вход строчной синхронизации которого объединен с первым входом блока задержки и подключен к первому выходу селектора синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя сигнала рамки объединен со вторым входом блока задержки и подключен ко второму выходу селектора синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС и соответственно к первому информационному входу коммутатора-смесителя, второй информационный вход которого подключен к выходу «видео» второго ДТС, вход «синхро» которого подключен к выходу формирователя сигнала синхронизации, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока задержки, первый выход блока наведения подключен к первому управляющему входу формирователя сигнала рамки, а второй выход блока наведения - ко второму управляющему входу формирователя сигнала рамки, первый выход которого подключен к третьему информационному входу коммутатора-смесителя, четвертый информационный вход которого подключен ко второму выходу формирователя сигнала рамки, причем управляющий вход коммутатора-смесителя является входом управления телекамеры, а выход - выходом телекамеры.

Светоделитель телекамеры содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и второй объектив, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом второго объектива, а второй выход светоделителя - со вторым выходом полупрозрачного зеркала.

В прототипе обеспечивается масштабирование выбранного фрагмента с сохранением неизменного показателя разрешающей способности в пределах всего комбинированного изображения и выводом увеличенного изображения в заданную часть растра.

Выход телекамеры прототипа по коаксиальному кабелю линии связи подключен к входу «видео» видеоконтрольного блока.

По линии связи с пульта управления, расположенного, как и видеоконтрольный блок, на приемной стороне телевизионной системы, передаются команды для организации в телекамере двух режимов ее работы: «Выбор фрагмента»¹ (¹ По этой команде на экране монитора воспроизводятся изображение общего вида и «наложенная» на него электронная рамка, позволяющая оператору выбрать интересующий его участок (фрагмент)) и «Комбинированное изображение».

Для устройства прототипа предполагается наличие следующих признаков:

- первый и второй приводы блока наведения телекамеры являются дистанционно управляемыми электроприводами позиционирования второго ДТС соответственно по горизонтали и вертикали;

- формирователь сигнала рамки вырабатывает на первом выходе электронную «рамку», а на втором выходе - электронное «окошко», при этом величина площади растра, определяемая сигналом «окошко», равна или превышает растровую область, которую занимает сигнал «рамка»;

- в качестве видеоконтрольного блока может быть использован персональный компьютер, например, компьютер с операционной системой Windows ХР, в котором установлен аппаратный продукт серии AVerTV [2];

- управление блоком наведения телекамеры осуществляется с компьютера по командам «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз», а управление блоком коммутации телекамеры - по компьютерным командам, обеспечивающим выбор соответствующих режимов работы телекамеры.

Недостаток прототипа - низкое качество формируемого изображения общего вида в обоих режимах телекамеры за счет оптических потерь в светоделителе.

Необходимо учитывать, что величина освещенности мишени фотоприемника первого ДТС по отношению к освещенности мишени второго ДТС ослабляется с коэффициентом, который определяется произведением:

,

где D/f - относительное отверстие второго объектива, т.е. отношение диаметра D его входного зрачка к фокусному расстоянию f;

τ₁ - коэффициент пропускания второго объектива;

τ₂ - коэффициент пропускания коллективной линзы.

Это произведение может достигать величины 1/10 и меньше, что ухудшает чувствительность системы в канале первого ДТС на порядок и более.

Задачей изобретения является повышение качества изображения общего вида путем увеличения отношения сигнал/шум на выходе матрицы ПЗС первого датчика телевизионного сигнала (ДТС) за счет суммирования в его секции памяти зарядовых пакетов, сформированных в фотоприемной секции.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телевизионную систему, которая содержит на передающей стороне телекамеру, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя, двух ДТС, выполненных на основе матриц ПЗС, а также блока наведения, селектора синхроимпульсов, блока задержки, формирователя сигнала синхронизации и формирователя сигнала рамки, причем первый выход светоделителя является выходом изображения общего вида и оптически связан с фотомишенью первого ДТС, а второй выход светоделителя является выходом изображения увеличенного фрагмента и оптически связан с фотомишенью второго ДТС, блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования второго ДТС, и состоящий из первого привода, кинематически связанного с первым датчиком положения, и второго привода, кинематически связанного со вторым датчиком положения, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения, вход строчной синхронизации формирователя сигнала рамки объединен с первым входом блока задержки и подключен к первому выходу селектора синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя сигнала рамки объединен со вторым входом блока задержки и подключен ко второму выходу селектора синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС, вход «синхро» второго ДТС подключен к выходу формирователя сигнала синхронизации, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока задержки, первый выход блока наведения подключен к первому управляющему входу формирователя сигнала рамки, а второй выход блока наведения - ко второму управляющему входу формирователя сигнала рамки, причем выход первого ДТС является выходом «видео 1» телекамеры, выход второго ДТС - выходом «видео 2» телекамеры, а выход формирователя сигнала рамки - выходом «рамка» телекамеры, на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи многожильного кабеля, по двум из которых выполняется соединение выхода сигналов для команд наведения «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз» на компьютере с входами этих сигналов в телекамере, при этом в состав первого ДТС дополнительно введен формирователь импульсов (ФИ), обеспечивающий в секции памяти матрицы ПЗС суммирования зарядовых пакетов, сформированных в фотоприемной секции, при этом по трем другим жилам кабеля линии связи выполняется соединение выходов сигналов «видео 1», «видео 2» и «рамка» телекамеры с соответствующими входами 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 при организации синхронизации каждого из них раздельно по входному сигналу синхронизации приемника (ССП), ввода цифрового видеосигнала «видео 1» в оперативную память с периодом nТ_к и вывода из нее с периодом Т_к, где Т_к - длительность кадра, n - число суммируемых кадров, ввода/вывода цифрового видеосигнала «видео 2» с периодом Т_к, выполнения микширования выходного цифрового видеосигнала «видео 1» с сигналом «рамка», формирования сигнала «окошко» и выполнения коммутации видеосигналов «видео 1» и «видео 2» по сигналу «окошко», причем выход видеосигнала платы видео является выходом сигнала изображения телевизионной системы.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая телевизионная система отличается наличием нового блока - платы видео в составе компьютера; выполнением первого ДТС телекамеры на основе фотоприемника с другой организацией («строчно-кадровый перенос»), наличием формирователя импульсов (ФИ) в составе первого ДТС, наличием в телекамере новых связей между новыми и остальными блоками, использованием в линии связи между телекамерой и компьютером дополнительных жил кабеля.

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

В заявляемом решении, по сравнению с прототипом, видеосигнал телекамеры, формирующий изображение общего вида, имеет выигрыш в отношении сигнал/шум за счет суммирования в секции памяти фотоприемника зарядовых сигналов, накопленных в его фотоприемной секции.

В результате для изображения общего вида отношение сигнал/шум увеличивается пропорционально увеличению для них энергии полезного сигнала, т.е. числу складываемых кадров накопления.

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 - структурная схема ФИ в составе первого ДТС; на фиг.5 - пример выполнения электрической схемы счетчика длительности накопления в составе ФИ; на фиг.6 - временная диаграмма, поясняющая обобщенное формирование выходного сигнала этим счетчиком; на фиг.7 - временная диаграмма, поясняющая работу первого ДТС; на фиг.8 - возможная электрическая схема реализации блока наведения в составе телекамеры; на фиг.9 - временная диаграмма, поясняющая формирование в телекамере задержек синхросигнала по строке; на фиг.10 показано относительное положение растров первого и второго ДТС телекамеры в зависимости от величины задержек синхросигнала по строке и кадру; на фиг.11 приведены изображения электронной рамки на фоне изображения общего вида в процессе юстировки телекамеры; на фиг.12 представлены в качестве возможных примеров изображения, формируемые предлагаемой телевизионной системой.

Заявляемая здесь телевизионная система (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 фотоприемной 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, первый выход светоделителя 1-2 телекамеры является выходом изображения общего вида и оптически связан с фотомишенью первого ДТС 1-3, а второй выход светоделителя 1-2 - выходом изображения увеличенного фрагмента и оптически связан с фотомишенью второго ДТС 1-4; в состав телекамеры также входят блок 1-5 наведения, селектор 1-6 синхроимпульсов, блок задержки 1-7, формирователь 1-8 сигнала синхронизации и формирователь 1-9 сигнала рамки, причем блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования ДТС 1-4 и состоящий из первого электропривода 1-5-1 (электропривода по горизонтали), кинематически связанного с первым датчиком положения 1-5-2, и второго электропривода 1-5-3 (электропривода по вертикали), кинематически связанного со вторым датчиком положения 1-5-4, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения, выход ДТС 1-3 подключен к входу селектора 1-6 синхроимпульсов, вход строчной синхронизации формирователя 1-9 сигнала рамки объединен с первым входом блока задержки 1-7 и подключен к первому выходу селектора 1-6 синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя 1-9 сигнала рамки объединен со вторым входом блока задержки 1-7 и подключен ко второму выходу селектора 1-6 синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС 1-3, вход «синхро» второго ДТС 1-4 подключен к выходу формирователя 1-9 сигнала синхронизации, первый выход блока 1-5 наведения подключен к первому управляющему входу формирователя 1-9 сигнала рамки, а второй выход блока 1-5 наведения - ко второму управляющему входу формирователя 1-9 сигнала рамки, причем выход первого ДТС 1-3 является выходом «видео 1» телекамеры, выход второго ДТС 1-4 - выходом «видео 2» телекамеры, а выход формирователя 1-9 сигнала рамки - выходом «рамка» 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 пяти жил кабеля и обеспечивающая соединение выходов сигналов «видео 1», «видео 2» и «рамка» телекамеры с соответствующими входами на компьютере, а также выхода сигналов для команд наведения «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз» на компьютере с входами этих сигналов на электроприводы 1-5-1 и 1-5-3 в телекамере соответственно.

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.

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 и размеров кристалла.

Предположим, что формат мишени обоих ДТС составляет, как в прототипе, 1/3 дюйма (4,8×3,3) мм и числом элементов 795(H)×596(Y).

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, сформированных в фотоприемной секции 1-3-1-1.

Применительно к трехфазной системе управления фотоприемником структурная схема ФИ 1-3-2-5 может быть выполнена согласно решению, предлагаемому на фиг.4. Она содержит следующие цифровые блоки: счетчик длительности накопления, первый и второй элементы «И», элемент «ИЛИ», а также первый и второй элементы «НЕ».

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 третьего выхода временного контроллера 1-3-2-1 кадровые синхроимпульсы - КСИ (см. фиг.6,а), которые далее поступают на счетный вход счетчика длительности накопления. Емкость счетчика составляет n кадров, т.е. nТ_к, а вырабатываемый сигнал следует с периодом (n+1)Т_к (см. фиг.6,б). На выходе счетчика этот сигнал дополнительно задерживается на величину длительности КСИ (см. фиг.6,в).

Выходной сигнал счетчика в другом масштабе представлен на фиг.7,а. Если на тактовый вход ФИ 1-3-2-5 с третьего выхода временного контроллера 1-3-2-1 подаются трехфазные импульсные последовательности (см. фиг.7,б…г), то с выхода ФИ 1-3-2-5 будут сниматься преобразованные последовательности, как показано соответственно на фиг.7,д…ж.

В результате в фотоприемнике ДТС 1-3 зарядовые пакеты, накопленные в секции 1-3-1-1, складываются в секции памяти 1-3-1-2. Поэтому в композитном видеосигнале на выходе ДТС 1-3 отношение сигнал/шум увеличивается в n раз, а сам сигнал изображения будет следовать с периодом (n+1)Т_к, т.е. с пропуском на величину временного интервала nТ_к, как представлено на фиг.7,з.

Допустим, что ослабление освещенности в светоделителе 1-2 для фотоприемника ДТС 1-3 осуществляется с коэффициентом 1/10. Тогда n=10, а электрическая схема счетчика длительности накопления может быть выполнена согласно показанному на фиг.5 решению с использованием отечественных микросхем серии К561. Для реализации счетчика потребуются два корпуса К561ИЕ8, один корпус К561ТМ2, один корпус К561ЛА7 и один корпус К561ЛН2.

Блок 1-5 наведения предназначен для осуществления пространственного позиционирования ДТС 1-4. Электрическая схема блока 1-5 может быть реализована на базе технического решения «Применение оптрона HSSR-7111 для управления реверсом электродвигателя переменного тока», опубликованного в Интернете на сайте [5].

Изделие HSSR-7111 - однополюсный нормально разомкнутый оптрон с выходным каскадом на мощных МОП-транзисторах, имеет очень малое сопротивление во включенном состоянии и работает в точности как полупроводниковое реле. Максимальная величина сопротивления нагрузочной цепи оптрона HSSR-7111 во включенном состоянии составляет 1 Ом, а максимальный ток нагрузки в зависимости от схемы включения составляет 0,8 Ампер или вдвое больше (1,6 Ампер).

Рассмотрим работу блока 1-5 наведения (см. фиг.8), схема которого выполнена на четырех оптронах HSSR, обозначенных как VT1…VT4.

Будем считать, что управление наведением осуществляется командами в соответствии с табл.1.

При этом подаваемые в телекамеру с компьютера по линии связи сигналы управления блоком 1-5 наведения являются постоянными напряжениями положительной или отрицательной полярности величиной (5…30) Вольт, отсчитываемой относительно провода «общий».

Таблица 1 Наименование команды Обозначение режима Сигнал «Управление по горизонтали» «Вправо» «+U» «Влево» «-U» «Управление по вертикали» «Вверх» «+U» «Вниз» «-U»

При отсутствии команд управления эти напряжений тоже отсутствуют. Поэтому оптроны VT1…VT4 разомкнуты, а электродвигатели M1 и М2 обесточены.

Пусть по линии связи на блок 1-5 наведения поступает команда «Управление по горизонтали»-«Вправо». Тогда оптрон VT2 замыкается, а электродвигатель M1 подключается к источнику переменного напряжения ~U и начинает вращаться.

Если взамен этой команды поступит команда «Управление по горизонтали»-«Влево», то замкнется оптрон VT1, а электродвигатель M1 будет вращаться в другом направлении.

Аналогично происходит и для команд «Управление по вертикали». Если подана команда «Вверх», то замыкается оптрон VT4 и вращается электродвигатель М2. Когда вместо нее будет подана команда «Влево», то замыкается оптрон VT3, а двигатель М2 меняет направление вращения. Концевые выключатели SF1…SF4 обеспечивают необходимые пределы позиционирования ДТС 1-4 по горизонтали и вертикали.

Как и в блоке наведения прототипа, датчики положения 1-5-2 и 1-5-4 выполнены на основе переменных резисторов RP_x и RP_y, имеющих линейную зависимость изменения сопротивления от угла поворота. Постоянные резисторы и необходимы для выполнения настроечной работы по точному позиционированию.

Входной объектив 1-1, светоделитель 1-2, селектор 1-6 синхроимпульсов, блок 1-7 задержки, формирователь 1-8 сигнала синхронизации и формирователь 1-9 сигнала рамки телекамеры по назначению и схемотехническому исполнению не отличаются от соответствующих блоков прототипа.

Отметим, что для увеличения геометрических размеров пространства, находящегося в поле зрения телевизионной системы, желательно чтобы входной объектив 1-1 имел широкий угол поля зрения при стандартной величине формата кадра 4/3. Например, отечественный объектив «Зенитар-М 2,8/16», относящийся к оптике типа «Рыбий глаз», может обеспечить для диагонали фотомишени датчика 1-3, равной 1/3 дюйма, поле зрения по горизонтали не менее 100 угловых градусов.

Размер кадра для объектива «Зенитар-М 2,8/16» составляет 24×36 мм. Поэтому кратность масштабирования К_м оптического изображения, формируемого на втором выходе светоделителя, равна отношению:

.

Блок 1-7 задержки, как и в прототипе, реализует постоянную временную задержку строчного и кадрового синхроимпульсов в зависимости от проектируемого растрового положения сигнала «окошка».

Пусть априори положение «окошка» с размерами А×В задается в левом верхнем углу растра нормального изображения (изображения общего вида), как показано на фиг.10,б. На протяжении всей фиг.10 растр нормального изображения обозначен сплошной заливкой, а границы растра увеличенного изображения отмечены штрихпунктирной линией. Пунктирная линия на фиг.10,а определяет положение электронной рамки формата а×b. Площадь «рамки» и площадь «окошка» на фиг.10 отмечены штриховкой от центра.

Эпюры на фиг.9 иллюстрируют синхронизацию изображений, представленных на фиг.10,б.

На временной диаграмме приведены следующие сигналы:

фиг.9,а - строчный синхроимпульс ДТС 1-3;

фиг.9,б - строчный гасящий импульс ДТС 1-3;

фиг.9,в - строчная осциллограмма сигнала «окошко»;

фиг.9,г - строчный синхроимпульс ДТС 1-4;

фиг.9,д - строчный гасящий импульс ДТС 1-4.

На фиг.9 точка «О» отмечает геометрический центр нормального растра, а точка O₁ - центр увеличенного изображения.

Величина задержки по строке τ_зс строчного синхроимпульса ДТС 1-4 относительно строчного синхроимпульса ДТС 1-3 для «окошка», расположенного в левом верхнем углу растра, определяется соотношением:

где T_c - период строки;

t_c.г.и. - длительность строчного гасящего импульса;

А - размер «окошка» по горизонтали в единицах времени.

Величина задержки по кадру τ_зк кадрового синхроимпульса ДТС 1-4 относительно кадрового синхроимпульса ДТС 1-3 для этого «окошка» определяется следующим соотношением:

где T_r - период кадров;

t_к.г.и. - длительность кадрового гасящего импульса;

В - размер «окошка» по вертикали в единицах времени.

Пусть положение «окошка» с размерами А×В задается в левом нижнем углу растра нормального изображения (см. фиг.10в). Тогда величина задержки по строке τ_зс удовлетворяет соотношению (1), а величина задержки по кадру τ_зк определяется другим соотношением:

Очевидно, что, как и в прототипе, положение «окошка» с размерами А×В может быть априори задано в правом верхнем углу растра или в правом нижнем углу растра, или вообще в произвольном его месте, которое будет выбрано в процессе проектирования как предпочтительное для оператора.

Формирователь 1-8 сигнала синхронизации, как и в прототипе, обеспечивает получение на выходе по синхросигналам строк и кадров сигнала синхронизации приемника (ССП) с временными характеристиками его составляющих по ГОСТ 7845-92.

Отметим, что для выполнения качественной работы телекамеры в процессе ее настройки на производстве должны быть выполнены высокоточные регулировки (юстировки).

Юстировка блока 1-5 наведения должна обеспечивать при всех выставляемых положениях движков потенциометров RP_x и RP_y такое положение ДТС 1-4 относительно второго выхода светоделителя 1-2, чтобы геометрический центр его фотомишени совпадал с геометрическим центром проецируемого изображения. Юстировка обеспечивается за счет высокого класса точности изготовления всех механических элементов электроприводов 1-5-1 и 1-5-3, а также путем использования подборочных резисторов и и применения потенциометров RP_x и RP_y с линейной зависимостью изменения сопротивления от угла поворота. После завершения юстировки изображения электронной рамки на фоне изображения общего вида (см. фиг.11) должны соответствовать положениям движков потенциометров RP_x и RP_y, приведенным в табл.2.

Таблица 2 Обозначение рамки Положение движков потенциометров RP_x RP_y Р0 Среднее Среднее Р1 Крайнее левое Крайнее правое Р2 Крайнее правое Крайнее правое Р3 Крайнее левое Крайнее левое Р4 Крайнее правое Крайнее левое

При правильно выполненной юстировке телекамеры после перевода системы в режим «Комбинированное изображение» увеличенное изображение будет обязательно выведено в априори заданную часть растра.

Компьютер 3 предназначен для выполнения следующих операций:

- преобразования первого («видео 1») и второго («видео 2») входных аналоговых сигналов изображения, транслируемых с телекамеры, в цифровые видеосигналы при организации синхронизации каждого из них раздельно по входному сигналу синхронизации приемника (ССП);

- ввода цифрового видеосигнала «видео 1» в оперативную память с периодом nT _k и вывода из нее с периодом Т_к, где Т_к - длительность кадра, n - число суммируемых кадров;

- ввода/вывода цифрового видеосигнала «видео 2» с периодом Т_к,

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

- микширования выходного цифрового видеосигнала «видео 1» с сигналом «рамка»,

- формирования сигнала «окошко»;

- выполнения коммутации и воспроизведения цифровых видеосигналов в режимах «Изображение общего вида» и «Комбинированное изображение».

Характеристика сигналов управления, сопутствующих команде «Управление наведением», была представлена выше (см. табл.1).

Характеристика сигналов управления, сопутствующих команде «Выбор режима видео», представлена в табл.3.

Таблица 3 Наименование команды Обозначение режима Сигнал «Выбор режима видео» «Изображение общего вида и выбор интересующего в нем фрагмента» «1» «Комбинированное изображение «0»

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 наведением» - внешняя команда, т.к. она предназначена для управления работой телекамеры.

Отметим и другое отличие предлагаемого решения телевизионной системы от прототипа. Функции коммутатора-смесителя, выполняемые в прототипе в телекамере, теперь реализуются непосредственно в компьютере.

В разрабатываемой для заявляемой системы прикладной компьютерной программе крайне желательно реализовать и коррекцию «подушкообразных» геометрических искажений, вносимых входным широкоугольным объективом типа «Рыбий глаз» в аналоговые сигналы изображения «видео 1» и «видео 2», которые формирует телекамера.

Заявляемая телевизионная система с селективным масштабированием изображения (см. фиг.1) работает следующим образом. Выделим в работе предлагаемой системы два упомянутых ранее режима:

«Изображение общего вида и выбор фрагмента» (режим 1);

«Комбинированное изображение» (режим 2).

Независимо от режима работы телевизионной системы, 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».

По сравнению с прототипом, композитный видеосигнал «видео 1» (см. фиг.7,з) следует с периодом (n+1)Т_к, но в нем в n раз увеличено отношение сигнал/шум.

Как и в прототипе, селектор 1-6 синхроимпульсов выделяет из композитного видеосигнала «видео 1» строчные и кадровые синхроимпульсы, а формирователь 1-10 сигнала рамки вырабатывает на выходе сигнал прямоугольной рамки с форматом (а×b).

Допустим, что в растре ДТС 1-3 электронная рамка занимает положение, показанное на фиг.10,а.

Пусть априори положение «окошка» в комбинированном изображении задается в левом верхнем углу видимого растра.

Тогда блок 1-7 задержки осуществляет задержку по строке τ_зс строчных синхроимпульсов по соотношению (1) и задержку по кадру τ_зк кадровых синхроимпульсов по соотношению (2).

Для иллюстрации на фиг.9, г показано временное положение строчного синхроимпульса на выходе блока 1-7 задержки относительно входного импульса строк, изображенного на фиг.9,а.

В результате формирователь 1-8 обеспечивает по выходному сигналу синхронизации приемника (ССП) для ДТС 1-4 режим внешней принудительной синхронизации, при котором его растр (отмечен штрихпунктирной линией) смещен относительно растра, формируемого ДТС 1-3, как показано на фиг.10,б.

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

На плате видеокомпьютера аналоговые видеосигналы «видео 1» и «видео 2» при помощи аналого-цифрового преобразования (АЦП) становятся цифровыми видеосигналами. Важно подчеркнуть, что выполнение операции АЦП для «видео 1» и «видео 2» должно происходить при соблюдении для каждого из сигналов режима раздельной синхронизации по входному сигналу синхронизации приемника (ССП).

Цифровой видеосигнал «видео 1» записывается в блок оперативной памяти, где хранится в течение n кадров. Обновление информации в оперативной памяти происходит с периодом (n+1)Т_К, а считывание видеосигнала «видео 1» из памяти - с периодом Т_к. Поэтому в выходном цифровом видеосигнале «видео 1» информативные пропуски во времени будут устранены.

Цифровой видеосигнал «видео 2» записывается в другой блок оперативной памяти, но его обновление там происходит с периодом Т_к.

При подаче питания телевизионная система по умолчанию начинает работать в режиме 1, а в компьютере формируется сигнал логической «1» для команды «Выбор режима видео»-«Изображение общего вида и выбор интересующего фрагмента».

Поэтому на плате видеокомпьютера выполняется цифровое микширование сигнала «видео 1» с сигналом электронной рамки, а в результате коммутации видеосигналов именно сигнал «видео 1» с «наложенной» на него рамкой воспроизводится на экране компьютерного монитора.

Напомним, что положение рамки в пределах активной части растра определяется в зависимости от положения движков потенциометров RP_x и RP_y (датчиков положения 1-5-2 и 1-5-4), установленных в блоке 1-5 наведения. Одновременно ДТС 1-4 формирует видеосигнал оптически увеличенного «внутрирамочного» изображения.

Отметим, что электронная рамка отмечает на изображении зону повышенного интереса для оператора, а он, подавая с компьютера в телекамеру команды «Управление по горизонтали»-«Вправо/Влево» и «Управление по вертикали»-«Вверх/Вниз», может дистанционно установить рамку на любом участке наблюдаемого изображения.

Качество этого изображения будет заведомо выше, чем у прототипа, благодаря повышению отношения сигнал/шум в результате зарядового суммирования n кадров накопления в фотоприемнике ДТС 1-3.

Далее оператор переводит телевизионную систему в режим 2 работы и контролирует формируемое комбинированное изображение.

На фиг.12 демонстрируется практическое использование предлагаемой системы для организации телевизионного наблюдения на автомобильной стоянке.

На фиг.12,а показано изображение, формируемое в режиме 1, а на фиг.12,б - в режиме 2, где отчетливо виден номер автомобиля в априори выбранном «окошке» - в левом верхнем углу видимого растра.

Как отмечалось выше, положение «окошка» в растре комбинированного изображения может быть иным, что может быть спроектировано и достаточно легко обеспечено программными средствами.

В качестве иллюстрации на фиг.12,в показано, что зоной повышенного интереса оператора является стоящий справа человек. Лицо этого человека выводится в комбинированном изображении на фиг.12,г в пределах «окошка», расположенного в левом нижнем углу растра.

Следует добавить, что для такого сюжета установлен и другой формат самого «окошка».

Важно отметить, что в предлагаемом решении показатель разрешающей способности, как и у прототипа, сохраняется неизменным в пределах всего комбинированного изображения.

С другой стороны, по отношению к прототипу, световая чувствительность устройства для изображения общего вида увеличена, а ее реальная величина не уступает, а может даже несколько превосходить аналогичный показатель для увеличенного по масштабу изображения.

Выигрыш в световой чувствительности, а следовательно, и в качестве изображения общего вида, определяется числом n суммируемых кадров накопления. Сама же величина n может быть ограничена, с одной стороны, динамикой событий на объекте, которые необходимо видеть оператору, а с другой стороны, - ростом темновой составляющей в сигнале фотоприемника.

Для сегодняшних матриц ПЗС, которые не снабжены элементами принудительного охлаждения кристалла, величина n может достигать 50.

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

Источники информации

1. Патент 2174745 РФ. МПК H04N 7/00, 7/18. Телевизионная камера с селективным масштабированием. / В.М. Смелков, Ю.А. Смоляков, В.Е. Антонов, В.М. Петрова // Б.И. - 2001. - №28.

2. Руководство по быстрой установке продукта Aver TV 307 от компании AverMedia TECHNOLOGIES, Inc. (Тайвань).

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

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

5. www.avagotech.com

Изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в системах наблюдения, которые выполнены с использованием фотоприемников в виде матриц приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС) и компьютеров. Техническим результатом является увеличение отношения сигнал/шум на выходе матрицы ПЗС первого датчика телевизионного сигнала (ДТС) за счет суммирования в его секции памяти зарядовых пакетов, сформированных в фотоприемной секции. Результат достигается тем, что в состав компьютера введена плата видео, в телекамере прототипа первый ДТС выполнен на основе матрицы ПЗС с организацией «строчно-кадровый перенос», а введением дополнительного формирователя импульсов для организации тактового питания фотоприемника обеспечено суммирование в секции памяти зарядовых сигналов, накопленных в его фотоприемной секции. В итоге выравнивается чувствительность по всему полю комбинированного изображения. 3 з.п. ф-лы, 12 ил., 3 табл.

1. Телевизионная система с селективным масштабированием изображения, которая содержит на передающей стороне телевизионную камеру (телекамеру), состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя, двух датчиков телевизионного сигнала (ДТС), выполненных на основе матриц приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС), а также блока наведения, селектора синхроимпульсов, блока задержки, формирователя сигнала синхронизации и формирователя сигнала рамки, причем первый выход светоделителя является «выходом нормального оптического изображения» (изображения общего вида) и оптически связан с фотомишенью первого датчика телевизионного сигнала (первого ДТС), а второй выход светоделителя является «выходом увеличенного оптического изображения» (изображения увеличенного фрагмента) и оптически связан с фотомишенью второго ДТС, блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования второго ДТС и состоящий из первого привода, кинематически связанного с первым датчиком положения, и второго привода, кинематически связанного со вторым датчиком положения, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения, вход строчной синхронизации формирователя сигнала рамки объединен с первым входом блока задержки и подключен к первому выходу селектора синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя сигнала рамки объединен со вторым входом блока задержки и подключен ко второму выходу селектора синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС, вход «синхро» второго ДТС подключен к выходу формирователя сигнала синхронизации, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока задержки, первый вход блока наведения подключен к первому управляющему входу формирователя сигнала рамки, а второй вход блока наведения - ко второму управляющему входу формирователя сигнала рамки, причем выход первого ДТС является выходом «видео 1» телекамеры, выход второго ДТС - выходом «видео 2» телекамеры, а выход формирователя сигнала рамки - выходом «рамка» телекамеры, на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи многожильного кабеля, по двум из которых выполняется соединение выхода сигналов для команд наведения «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз» на компьютере с входами этих сигналов в телекамере, отличающаяся тем, что 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 секции памяти матрицы ПЗС суммирования зарядовых пакетов, сформированных в фотоприемной секции, при этом по трем другим жилам кабеля линии связи выполняется соединение выходов сигналов «видео 1», «видео 2» и «рамка» телекамеры с соответствующими входами 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 при организации синхронизации каждого из них раздельно по входному сигналу синхронизации приемника (ССП), ввода цифрового видеосигнала «видео 1» в оперативную память с периодом nТ_к и вывода из нее с периодом Т_к, где Т_к - длительность кадра, n - число суммируемых кадров, ввода/вывода цифрового видеосигнала «видео 2» с периодом Т_к, выполнения микширования выходного цифрового видеосигнала «видео 1» с сигналом «рамка», формирования сигнала «окошко» и выполнения коммутации видеосигналов «видео 1» и «видео 2» по сигналу «окошко», причем 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 качестве входного объектива телекамеры используется широкоугольный объектив, а в компьютере осуществляется коррекция геометрических искажений, вносимых объективом в аналоговые сигналы изображения «видео 1» и «видео 2».

4. Телевизионная система по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что формирователь импульсов (ФИ) первого ДТС телекамеры выполнен в составе большой интегральной схемы (БИС) временного контроллера.