УСТРОЙСТВО ДАТЧИКА МОНОХРОМНОГО ВИДЕОСИГНАЛА ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННО-КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПАНОРАМНОЙ ОХРАНЫ "ДЕНЬ - НОЧЬ" Российский патент 2017 года по МПК H04N7/00 H04N5/225 

Изобретение имеет отношение к панорамной охране «день - ночь», которое выполняется в вечернее и/или в ночное время суток телевизионно-компьютерной системой кругового обзора в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению следует считать устройство датчика цифрового монохромного видеосигнала для телевизионной камеры панорамного наблюдения «день - ночь» [1], которое формирует «кольцевой» растр изображения, передавая на выход в аналоговой форме композитный монохромный видеосигнал, и содержит в своем составе «кольцевой» фотоприемник, блок «кольцевой» развертки и сигнальный процессор, выход которого является выходом композитного черно-белого видеосигнала датчика, при этом «кольцевой» фотоприемник, выполненный по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), имеет кристалл мишени в виде кругового кольца и состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, «кольцевого» регистра сдвига и преобразователя «заряд - напряжение» (БПЗН), причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, число элементов которого равно числу элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области, при этом блок «кольцевой» развертки состоит из временного контроллера, первого преобразователя уровней (ПУ) и второго ПУ, причем первый управляющий вход фотоприприемной области «кольцевого» фотоприемника подключен к выходу первого ПУ, управляющий вход «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника - к выходу второго ПУ, а выход БПЗН «кольцевого» фотоприемника - к информационному входу сигнального процессора, выход управления экспозицией которого подключен к первому управляющему входу временного контроллера, первый выход которого подключен к входу первого ПУ, второй выход временного контроллера - к входу второго ПУ, третий выход временного контроллера - к входу синхронизации сигнального процессора, при этом четвертый, пятый и шестой выходы временного контроллера являются соответственно выходом «сигнала готовности изображения» датчика, выходом «сигнала квитирования изображения» датчика и выходом строчных синхроимпульсов датчика, а второй, третий и четвертый управляющие входы временного контроллера - соответственно входом «выбора режима работы» датчика, входом «сигнала накопления кадра» датчика и входом «сигнала запроса изображения» датчика.

Для прототипа предполагается, что кристалл «кольцевого» фотоприемника выполнен из кремния. БПЗН «кольцевого» фотоприемника организован по типу «плавающая диффузионная область» [2], а поэтому имеет управляющий вход, обеспечивающий поэлементный сброс напряжения формируемого видеосигнала. Предполагается, что логический сигнал поэлементного сброса формируется на седьмом выходе временного контроллера и подается через третий ПУ на управляющий вход БПЗН.

Недостаток датчика монохромного видеосигнала для телевизионно-компьютерной системы прототипа - переменная величина разрешающей способности изображения в пределах кадра, изменяющаяся в сторону уменьшения по направлению к внешней периферии «кольцевого» фотоприемника из-за увеличивающейся величины зазора между его светочувствительными элементами, которые имеют одинаковый показатель по геометрической площади.

Задачей изобретения является выравнивание разрешающей способности изображения монохромного датчика видеосигнала путем реализации в его «кольцевом» фотоприемнике различной по площади светочувствительных элементов и управления зарядовым считыванием в видеосигнале сенсора с одинаковой величиной площади апертуры.

Поставленная задача в заявляемом датчике цифрового монохромного видеосигнала решается тем, что в устройство его прототипа [1], которое формирует «кольцевой» растр изображения, передавая на выход в аналоговой форме композитный монохромный видеосигнал, и содержит в своем составе «кольцевой» фотоприемник, блок «кольцевой» развертки и сигнальный процессор, выход которого является выходом композитного видеосигнала датчика, при этом «кольцевой» фотоприемник, выполненный по технологии ПЗС, имеет кристалл мишени в виде кругового кольца из кремния и состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, «кольцевого» регистра сдвига и БПЗН, причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, число элементов которого равно числу элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области, при этом блок «кольцевой» развертки состоит из временного контроллера, первого ПУ, второго ПУ и третьего ПУ, причем первый управляющий вход фотоприприемной области «кольцевого» фотоприемника подключен к выходу первого ПУ, управляющий вход «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника - к выходу второго ПУ, управляющий вход БПЗН «кольцевого» фотоприемника - выходу третьего ПУ, а выход БПЗН «кольцевого» фотоприемника - к информационному входу сигнального процессора, выход управления экспозицией которого подключен к первому управляющему входу временного контроллера, первый выход которого подключен к входу первого ПУ, второй выход временного контроллера - к входу второго ПУ, а третий выход временного контроллера - к входу синхронизации сигнального процессора, при этом четвертый, пятый и шестой выходы временного контроллера являются соответственно выходом «сигнала готовности изображения» датчика, выходом «сигнала квитирования изображения» датчика и выходом строчных синхроимпульсов датчика, а второй, третий и четвертый управляющие входы временного контроллера - соответственно входом «выбора режима работы» датчика, входом «сигнала накопления кадра» датчика и входом «сигнала запроса изображения» датчика, введен блок формирования апертуры (БФА), информационный вход которого подключен к седьмому выходу временного контроллера, синхронизирующий вход БФА - к восьмому выходу временного контроллера, а выход БФА - к входу третьего ПУ, при этом на фотоприемной области сенсора вносятся следующие конструкторско-технологические изменения топологического характера, а именно площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов различны от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига, при реализации в выходном видеосигнале сенсора одинаковой площади считывающей апертуры, причем период управляющих импульсов T_r, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением

где Т_р - период считывания элемента в «кольцевом» фотоприемнике;

n_m - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике равна отношению

где Δ₁ и Δ_m - соответственно площадь светочувствительного элемента для первой и текущей строк считывания в «кольцевом» фотоприемнике.

Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемое устройство датчика монохромного видеосигнала отличается тем, что в его «кольцевом» фотоприемнике светочувствительные элементы имеют геометрическую площадь, которая монотонно увеличивается в радиальном направлении на пути к внешней периферии.

При этом при помощи вводимого в состав телевизионной камеры БФА реализуется одинаковый показатель площади считывающей апертуры сенсора, что обеспечивает одинаковую чувствительность сенсора по всей его мишени и без внесения шумовых потерь для видеосигнала.

Учитывая, что в новой топологии фотоприемника зазоры, т.е. промежутки между светочувствительными элементами по всей мишени становятся одинаковыми (или близкими к одинаковым) по величине, осуществляется выравнивание параметра разрешающей способности изображения в пределах всего «кольцевого» телевизионного кадра.

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

Выравнивание разрешающей способности изображения выполняется в «кольцевом» растре изображения. Поэтому данное техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства датчика монохромного видеосигнала для телевизионно-компьютерной системы панорамной охраны «день - ночь»; на фиг. 2 приведена схемотехническая организации «кольцевого» фотоприемника из состава этого датчика; на фиг. 3 показан фрагмент этого фотоприемника, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 4, по данным [2, с. 19], представлена структурная схема БПЗН с организацией «плавающая диффузионная область»; на фиг. 5 изображена эпюра выходного сигнала БФА, который выполняет управление апертурой заявляемого «кольцевого» сенсора; на фиг. 6, по данным [3], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 7 приведена структурная схема телевизионно-компьютерной системы согласно патенту [1], в составе которой реализуется заявляемый датчик; на фиг. 8 - временная диаграмма, поясняющая работу заявляемого датчика в этой системе.

Заявляемое устройство датчика монохромного видеосигнала (см. фиг. 1-3) содержит в своем составе «кольцевой» фотоприемник 1, блок 2 «кольцевой» развертки и сигнальный процессор 3, выход которого является выходом композитного видеосигнала датчика (на фиг. 1 обозначен как «LV2»), при этом «кольцевой» фотоприемник 1 состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области 1-1, «кольцевого» регистра сдвига 1-2 и БПЗН 1-3, при этом блок 2 «кольцевой» развертки состоит из временного контроллера 2-1, первого ПУ 2-2, второго ПУ 2-3, третьего ПУ 2-4 и БФА 2-5, причем первый управляющий вход фотоприприемной области «кольцевого» фотоприемника 1 подключен к выходу первого ПУ 2-1, управляющий вход «кольцевого» регистра сдвига 1-2 «кольцевого» фотоприемника - к выходу второго ПУ 2-3, управляющий вход БПЗН 1-3 «кольцевого» фотоприемника – к выходу третьего ПУ 2-4, а выход БПЗН 1-3 «кольцевого» фотоприемника - к информационному входу сигнального процессора 3, выход управления экспозицией которого подключен к первому управляющему входу временного контроллера 2-1, первый выход которого подключен к входу первого ПУ 2-2, второй выход временного контроллера 2-1 - к входу второго ПУ 2-3, третий выход временного контроллера 2-1 - к входу синхронизации сигнального процессора 3, при этом информационный вход БФА 2-5 подключен к седьмому выходу временного контроллера 2-1, синхронизирующий вход БФА 2-5 - к восьмому выходу временного контроллера 2-1, а выход БФА 2-5 - к входу третьего ПУ 2-4.

На фиг. 1 четвертый выход временного контроллера 2-1 обозначен как «IRDY^*» (Здесь и далее знак «*» означает, что данные логические сигналы являются активными на низком уровне), пятый его выход - как «IACK», а шестой его выход - как «HDout^*).

Второй управляющий вход временного контроллера 2-1 обозначен как «MS^*», третий его управляющий вход - как «FI^*», а четвертый его управляющий вход - как «IRQ^*».

Наличие пассивной (неинформативной) области в центре оптического кадра панорамного изображения (см. фиг. 6) подтверждает целесообразность выбора формы фотоприемника 1, как и в прототипе, в пользу кругового кольца.

Следует отметить, что в «кольцевом» фотоприемнике 1 электроды переноса на фотоприемной области 1-2 и в «кольцевом» регистре сдвига 1-3 могут быть выполнены с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца. Несомненно, что это предоставит и определенные преимущества при изготовлении «кольцевого» фотоприемника по технологии ПЗС.

Учитывая использование заявляемого датчика монохромного видеосигнала в системах охранного телевидения, разумно кристалл «кольцевого» фотоприемника 1 выполнить не на основе кремния, а на основе полупроводника из арсенида галлия.

Тогда физически реально достигнуть красной границы спектральной характеристики 1,7 мкм и даже 2,2 мкм, не применяя принудительное охлаждение кристалла фотоприемника [4, с. 113], а в результате получить существенный выигрыш в чувствительности датчика.

На фиг. 4 показана возможная структурная схема БПЗН «кольцевого» фотоприемника с организацией «плавающая диффузионная область», которая полностью совпадает со схемой, применяемой в настоящее время в матрицах ПЗС для реализации прямоугольной развертки видеосигнала. На фиг. 4 приняты следующие обозначения: U_ф1, U_ф2, U_ф3 - напряжения на шинах для трехфазного управления «кольцевым» регистром сдвига 1-2-2; U_выхЗ - напряжение на выходном затворе; Д_вых, Д_сбр - выходной и сбрасывающие диоды соответственно.

Перед считыванием информационного заряда очередного элемента (пиксела) в процессе его преобразования в напряжение видеосигнала информационный заряд предыдущего элемента должен быть сброшен в стирающий диод Д_сбр.

Эта процедура осуществляется при помощи управляющих импульсов T_r, называемых часто в литературе импульсами сброса, которые подаются на соответствующую шину управления БПЗН 1-3.

Блок формирования апертуры (БФА) 2-5 предназначен для управления считывающей апертурой в «кольцевом» фотоприемнике 1 при поэлементном съеме напряжения видеосигнала в БПЗН 1-3. В результате для всех строк фотоприемника обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры при различной от строки к строке площади электродов светочувствительных элементов сенсора.

Эпюра выходного сигнала T_r, вырабатываемого на выходе БФА 2-5, представлена на фиг. 5. Предполагается, что фотоприемник 1 содержит n «кольцевых» строк. На этой диаграмме первая строка обозначена как Т_с1, а последняя строка - как T_cn.

Управляющие импульсы имеют положительную полярность, малую (короткую) длительность и различный период следования в пределах каждой из «кольцевых» строк.

Период управляющих импульсов для первой «кольцевой» строки обозначен T_r1, а период управляющих импульсов для последней «кольцевой» строки - Τ_rn. Период T_r1 является самым малым и равен периоду считывания элемента Т_р, а период считывания T_rn - самым большим, который равен nT_r.

В физическом плане управление площадью апертуры осуществляется за счет суммирования зарядовых пакетов в соседних элементах каждой текущей «кольцевой» строки сенсора до выполнения процедуры преобразования «заряд - напряжение». Поэтому это зарядовое сложение не может быть дополнительным источником шумов для видеосигнала на выходе заявляемого датчика.

БФА 2-5 на практике может быть реализован с использованием классического набора технических средств (логических элементов) цифровой электроники. Очевидно, что БФА 2-5 может быть выполнен в составе временного контроллера 2-1 блока 2 «кольцевой» развертки.

Остальные блоки заявляемого датчика, а именно временной контроллер 2-1, ПУ 2-2, ПУ 2-3, ПУ 2-4 и сигнальный процессор 3, ничем не отличаются от блоков прототипа, имеющих те же наименования.

Устройство датчика монохромного видеосигнала (см. фиг. 1-5) работает следующим образом.

Как и в прототипе [1], «кольцевой» фотоприемник 1 заявляемого датчика реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-1 с последующим поэлементным считыванием зарядов в «кольцевом» регистре 1-2 и формированием на выходе БПЗН 1-3 напряжения черно-белого видеосигнала в аналоговой форме.

При этом в интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности панорамного сюжета в светочувствительных элементах (пикселах) фотоприемной области 1-2.

В течение кратковременного промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки открывается фотозатвор, и заряды всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, переносятся (за один шаг поворота) в экранированные от света пикселы, расположенные на той же области 1-2.

Затем фотозатвор закрывается и в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода по строке новыми зарядами «кольцевой» регистр 1-2.

Но в отличие от прототипа [1], процесс текущего поэлементного преобразования «заряд - напряжение, выполняемый в БПЗН 1-3, осуществляется с переменной величиной периода сброса предыдущего зарядового пакета в стирающий диод.

Этот период, обозначенный как T_r, в пределах «кольцевого» кадра меняется по величине от самого малого (T_r1) для первой строки до самого большого (T_cn) для последней строки.

Благодаря тому, что площадь светочувствительных элементов для «кольцевых» строк на фотоприемной области 1-2 априори изменяется в этом направлении пропорционально, но в сторону уменьшения, обеспечивается одинаковая величина площади считывающей апертуры сенсора.

Величина же промежутка между отдельными апертурными площадками («апертурными пятнами») за счет новой топологии фотоприемника обеспечивается практически одинаковой по всей площади мишени и равной величине зазоров между светочувствительными элементами сенсора.

Следовательно, для заявляемого датчика черно-белого видеосигнала будет достигаться выравнивание параметра разрешающей способности непосредственно в фотоприемнике 1.

Далее монохромный видеосигнал сенсора, как и в датчике прототипа, преобразуется на выходе сигнального процессора 3 в аналоговый композитный видеосигнал черно-белого изображения, являющийся и выходным сигналом самого датчика.

Рассмотрим работу заявляемого датчика монохромного видеосигнала в составе телевизионно-компьютерной системы для панорамной охраны «день - ночь» [1] (см. фиг. 7), которая содержит на передающей стороне телевизионную камеру в позиции 4, состоящую из последовательно расположенных панорамного объектива 4-1, оптического блока 4-2 и двух датчиков телевизионного сигнала ДТС 4-3 и ДТС 4-4, причем в состав телевизионной камеры 4 также входит детектор 4-5 движения, блок 4-6 коммутации, выход которого является выходом «видео» (обозначен «LV») телевизионной камеры, последовательно соединенные селектор 4-7 синхроимпульсов и формирователь импульсов (ФИ) 4-9, последовательно соединенные первый пиковый детектор 4-8, блок 4-10 выборки-хранения и компаратор 4-11, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению U_n, инвертор 4-12, элемент «И» 4-13, второй пиковый детектор 4-14, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4-15, формирователь 4-16 длительности накопления, одновибратор 4-17, элемент «ИЛИ» 4-18, первый RS-триггер 4-19 и второй RS-триггер 4-20, при этом управляющий вход блока 4-10 выборки-хранения подключен к первому выходу ФИ 4-9, второй выход которого подключен к управляющему входу первого пикового детектора 4-8; линию связи из пятижильного кабеля в позиции 5, а на приемной стороне - формирователь 6 сигнала тревоги и компьютер оператора в позиции 7, при этом в телевизионной камере выход «видео» (обозначен «LV1») ДТС 4-3, являющегося датчиком цветного сигнала изображения, подключен соответственно к входу селектора 4-7 синхроимпульсов, к информационному входу пикового детектора 4-8 и к первому информационному входу блока 4-6 коммутации, а выход «видео» (обозначен «LV2») ДТС 4-4, являющегося датчиком черно-белого сигнала изображения, подключен соответственно ко второму информационному входу блока 4-6 коммутации, к входу детектора 4-5 движения и к информационному входу пикового детектора 4-14, управляющий вход которого объединен с входом одновибратора 4-17 и входами «S» RS-триггеров 4-19 и 4-20 и подключен к выходу инвертора 4-12, который является выходом «сигнал регистрации движения» телевизионной камеры (обозначен «RM»), при этом выход детектора 4-5 движения подключен соответственно к входу инвертора 4-12 и к первому входу элемента «И» 4-13, второй вход которого подключен к выходу компаратора 4-11, причем выход пикового детектора 4-14 подключен к информационному входу АЦП 4-15, выход которого подключен к установочному входу формирователя 4-16, разрешающий вход которого подключен к выходу одновибратора 4-17, управляющий вход формирователя 4-16 подключен к инверсному выходу RS-триггера 4-19, тактовый вход формирователя 4-16 объединен с тактовым входом АЦП 4-15 и подключен к выходу «сигнал строчных синхроимпульсов» ДТС 4-4 (обозначен «HD out^*), а выход формирователя 4-16 подключен к входу «R» RS-триггера 4-19 и соответственно к входу «сигнал накопления кадра» ДТС 4-4 (обозначен «F1^*»), вход «сигнал запроса изображения» (обозначен «IRQ^*») которого подключен к входу «R» RS-триггера 4-20, инверсный выход которого подключен к первому входу элемента «ИЛИ» 4-18, второй вход которого подключен к выходу одновибратора 4-17, а выход элемента «ИЛИ» 4-18 - к входу «выбор режима работы» ДТС 4-4 (обозначен «MS^*), выход которого «сигнал готовности изображения» (обозначен «IRDY^*) подключен к управляющему входу детектора 4-5 движения, при этом выходы ДТС 4-4, а именно выход «сигнал готовности изображения», выход «сигнал квитирования изображения» (обозначен «IACK»), которые являются и соответствующими выходами телевизионной камеры 4, подключены через жилы кабеля линии связи 5 к входам этих сигналов на компьютере 7 оператора, выход сигнала «IRQ^*» которого подключен через жилу кабеля линии связи 5 к соответствующему входу телевизионной камеры 4 и к входу сигнала этого наименования для ДТС 4-4; выход видеосигнала «LV» с телевизионной камеры транслируется по жиле кабеля линии связи 5 на вход «видео» компьютера 7 оператора, а сигнал «RM» с выхода инвертора 4-12 телевизионной камеры 4 - на вход формирователя 6 сигнала тревоги.

Отметим, что заявляемый датчик монохромного видеосигнала выполняет в этой системе панорамной охраны «день - ночь» обязанности датчика телевизионного сигнала ДТС 4-4.

Выделим в работе охранной телевизионной системы три режима:

- «день» (режим 1);

- «ночь» (режим 2);

- «тревога» (режим 3, который может сопутствовать как режиму 1, так и режиму 2).

Согласно техническому решению [1] телевизионная камера 4 может работать в режиме «TV», обеспечивая по выходу «LV» в зависимости от времени суток формирование периодического цветного или черно-белого сигнала изображения в соответствии с телевизионным стандартом.

Кроме этого, телевизионная камера может быть переведена в режим «MONOSHOT» - формирования однократного видеосигнала (снимка монохромного изображения) длительностью в один кадр прогрессивной развертки или в один полукадр чересстрочной развертки. Видеосигнал снимка, обладающий повышенной информативностью, записывается в память компьютера и может быть в любое время предоставлен в качестве доказательства произошедшего нарушения.

Независимо от режима работы системы «кольцевое» оптическое изображение наблюдаемой сцены, формируемое панорамным объективом 4-1 на входе оптического блока 4-2, по оптическому пути: первая светоделительная грань призмы светоделителя, вторая светоделительная грань призмы светоделителя, спектроделительная грань призмы корректирующего светофильтра, вторая грань призмы корректирующего светофильтра проецируется в видимом спектральном диапазоне на фотомишень первого ДТС 4-3. Одновременно оптический кадр панорамного объектива 4-1 по другому оптическому пути: первая светоделительная грань призмы светоделителя, вторая светоделительная грань призмы светоделителя, третья грань призмы светоделителя во всем спектральном диапазоне (видимом и инфракрасном) проецируется на фотомишень второго ДТС 4-4. Следует отметить, что инфракрасная область спектра последнего оптического изображения дополнительно усиливается за счет светового потока, отраженного спектроделительной гранью призмы светофильтра 4-2-2 в направлении третьей грани призмы светоделителя 4-2-1.

При включении питания оба датчика телевизионного сигнала ДТС 4-3 и ДТС 4-4 по умолчанию начинают работать в режиме «TV».

В результате фотоэлектрических преобразований на выходе «LV1» ДТС 4-3 формируется композитный цветной видеосигнал, а на выходе «LV2» ДТС 4-4 - композитный черно-белый видеосигнал сигнал в том же масштабе.

По монохромному видеосигналу с выхода «LV2» детектор 4-5 движения осуществляет слежение за обстановкой, выполняя межкадровое сравнение соседних кадров. В дальнейшем изложении воспользуемся эпюрами, приведенными на фиг. 7.

Селектор 4-7 выделяет из композитного цветного видеосигнала по выходу «LV1» строчные и кадровые синхроимпульсы, а ФИ 4-9 вырабатывает в пределах каждого кадрового гасящего импульса следующие с периодом Т_к импульсы записи и сброса.

Пиковый детектор 4-8 с периодом Т_к измеряет уровень видеосигнала с ДТС 4-3, блок 4-10 выборки-хранения запоминает его на время Т_к, а компаратор 4-11 оценивает выходное напряжение блока 4-10, сравнивая его с пороговым напряжением U_n.

В режиме «TV» на входе «выбор режима работы» («MS^*») другого датчика - ДТС 4-4 устанавливается высокий уровень (логическая «1»). Отметим, что высокий логический уровень поддерживается на входе «сигнал накопления кадра» («FI^*»), на входе «сигнал запроса изображения» («IRQ^*) и на выходе «сигнал готовности изображения» («IRDY^*»). Одновременно низкий логический уровень присутствует на выходе ДТС 4-4 - «сигнал квитирования изображения» («IACK») и на выходе инвертора 4-12 - «сигнал регистрации движения» («RM»).

Первый RS-триггер 4-19 и второй RS-триггер 4-20 находятся в состоянии «0». Поэтому на инверсном выходе RS-триггера 4-19 поддерживается логическая «1», а формирователь 4-16 заблокирован по управляющему входу высоким логическим уровнем и не считает строчные синхроимпульсы HD out^*. На выходе «видео» («LV2») датчика ДТС 4-4 формируется композитный черно-белый видеосигнал по телевизионному стандарту.

По монохромному видеосигналу с выхода «LV2» детектор 4-5 движения осуществляет слежение за обстановкой, выполняя межкадровое сравнение соседних кадров.

Предположим, что телевизионная система работает в дневное время суток, т.е. в режиме «день» (в режиме «1»), а подвижные объекты в зоне контроля отсутствуют. Тогда компаратор 4-11 не изменяет своего состояния по выходу, поддерживая состояние логической «1», и сохраняется высокий уровень напряжения на выходе детектора 4-5 движения. Поэтому на выходе элемента «И» 4-13 тоже присутствует логическая «1», а на выход блока 4-6 коммутации, а, следовательно, и на выход «LV» телевизионной камеры, передается цветной композитный видеосигнал с ДТС 4-3.

Цветной композитный видеосигнал с выхода «LV» транслируется по линии связи 5 на приемную сторону телевизионной системы, а далее поступает в компьютер 7 на плату видео.

Приходящий на плату видео компьютера 7 «кольцевой» видеосигнал цветного изображения оцифровывается, а затем вводится (записывается) в блоки оперативной памяти. Далее реализуется преобразование выходного «кольцевого» кадра цветного изображения в соответствующие «прямоугольные» кадры путем считывания видеосигнала из оперативной памяти, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению

где γ_г - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения.

Предположим, что при проектировании охранной телевизионной системы разработчиком заложено, что текущий угол поля зрения (γ_г) предъявляемого оператору панорамного изображения составляет 60° по горизонтали. Тогда по соотношению (3) «кольцевой» кадр должен соответствовать шести «прямоугольным» кадрам (n=6). Это означает, что имеем 6 условных областей в пространстве «кольцевого» кадра.

Следовательно, каждый «кольцевой» кадр записи изображения конвертируется в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде текущей последовательности оператору компьютера 7, ведущему мониторинг обстановки на охраняемой территории.

Пусть в момент t₀ очередной результат межкадрового сравнения в детекторе 4-5 движения фиксирует появление нарушителя. Тогда на его выходе («RM^*») появляется низкий уровень напряжения, а на выходе инвертора 4-12 - положительный перепад напряжения, который по линии связи 5 транслируется на вход формирователя 6. В результате на приемной стороне телевизионной системы обеспечивается звуковая и световая сигнализация тревоги.

Телевизионная система переходит в режим «1+3».

Одновременно в самой телевизионной камере 4 положительный перепад напряжения на выходе инвертора 4-12 переводит RS-триггеры 4-19 и 4-20 в состояние «1», выполняет сброс пикового детектора 4-14 и производит запуск одновибратора 4-17.

Одновибратор 4-17 формирует на выходе импульсный сигнал, длительность которого t₀…t₁ является интервалом разрешения операции предварительной записи-установки числа в счетчики формирователя 4-16.

В течение интервала t₀…t₁ пиковый детектор 4-14 измеряет текущее значение видеосигнала. Постоянное напряжение с выхода пикового детектора 4-14 преобразуется далее в АЦП 4-15 из аналоговой формы в цифровую и подается на установочные входы счетчиков формирователя 4-16.

К моменту t₁ (см. фиг. 8) запись-установка этого числа в счетчики формирователя 4-16 должна закончиться.

Необходимо отметить также, что, начиная с момента t₀, блок 4-6 коммутации уже передает на выход видеосигнал «LV2» от датчика ДТС 4-4.

Начиная же с момента t₁, на выходе элемента «ИЛИ» 4-18, а следовательно, и на входе «MS^*» датчика ДС 4-4 устанавливается уровень логического «0».

Поэтому телевизионная камера 4, начиная с момента t₁, переходит в из режима «TV» в режим «MONOSHOT». Дополнительно отметим, что с момента t₀ на управляющем входе формирователя 4-16 присутствует низкий логический уровень, т.е. блокировка по этому входу снята.

Счетчики формирователя 4-16 подсчитывают приращение данных, а на его выходе, начиная с момента t₁, устанавливается низкий логический уровень. Поэтому датчик ДТС 4-4 переходит в состояние накопления информационных зарядов в зависимости от освещенности зоны контроля во всем спектральном диапазоне.

Монохромный сигнал изображения «кольцевого» фотоприемника 1 имеет линейную шкалу уровня в зависимости от освещенности (γ=1), и предполагается, что по этому выходу «видео» исключено воздействие автоматической регулировки усиления (АРУ).

Отметим, что эти признаки являются совершенно необходимым условием для предлагаемого решения телевизионной системы.

Длительность накопления в датчике ДТС 4-4 устанавливается оптимальной по критерию максимума отношения сигнал/шум для видеосигнала выполняемого снимка изображения, что достигается предварительной калибровкой телевизионной камеры.

Если нарушение в охраняемой зоне происходит ночью, то телевизионная система в режиме «2+3» работает аналогично, отличаясь только тем, что длительность накопления в датчике ДТС 4-4 в ночное время суток будет заведомо больше, чем в дневное время.

После окончания накопления зарядов в датчике ДС 4-4 (см. момент t₂ на фиг. 8а) производится сброс счетчиков формирователя 4-15 и установка RS-триггера 4-19 в состояние «0», а, следовательно, возобновление блокировки формирователя 4-16 по управляющему входу.

В счетчиках формирователя 4-16 устанавливается нулевое число, а датчик ДТС 4-4 переходит в состояние «ненакопления», т.к. на его входе «FI^*», начиная с этого момента, формируется высокий логический уровень.

Далее на фотозатвор ДТС 4-4 кратковременно подается высокий уровень напряжения, разрешающий перенос зарядов из всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, в экранированные от света пиксельные линейки, расположенные на той же мишени. Поэтому перенесенные заряды накопленного кадра могут храниться там достаточно продолжительное время.

Если время переноса зарядов составляет величину τ₁, то после его завершения на выходе «IRDY^*» датчика ДТС 4-4 будет сформирован одиночный импульс (см. фиг. 8б) - сигнал готовности изображения.

Этот сигнал по линии связи 5 транслируется на приемную сторону телевизионной системы и поступает в компьютер 7. В компьютере с задержкой τ₂, установленной в блоке сопряжения интерфейса платы видео, вырабатывается выходной сигнал запроса изображения (см. фиг. 8г), который по линии связи 5 поступает на вход «IRQ^* датчика ДТС 4-4 телевизионной камеры 1.

Далее, когда низкий уровень в сигнале запроса изображения совпадает с окончанием ближайшего строчного синхроимпульса (см. момент t₃, на фиг. 8в), начинается считывание зарядового рельефа информационного кадра, которое продолжается в течение интервала t₃…t₄. В результате на выходе «видео» («LV2») ДТС 4-4, а, следовательно, и на выходе «видео» («LV») телевизионной камеры 4 формируется видеосигнал одиночного кадра (см. фиг. 8е). Отметим, что длительность этого сигнала с учетом кадрового гасящего импульса составляет Т_к и соответствует периоду полукадров по телевизионному стандарту.

Параллельно с видеосигналом одиночного кадра на выходе «IACK» ДТС 4-4 вырабатывается одиночный положительный импульс - сигнал квитирования (подтверждения) изображения (см. фиг. 8д), длительность которого составляет интервал (t₃…t₄).

Далее сигналы «LV» и «IACK» транслируются по линии связи 5 на приемную сторону телевизионной системы, а там поступают на плату видео компьютера 7 оператора.

Приходящий сигнал «IACK» обеспечивает автоматический переход в работающей компьютерной программе в закладку «Снимок». Поэтому в интервале (t₃…t₄) выполняется запись «кольцевого» монохромного видеосигнала одиночного кадра («LV») в оперативную память компьютера. Далее аналогично выполняется преобразование одиночного «кольцевого» кадра в 6 «прямоугольных» кадров и их сохранение в папке компьютерной памяти.

Добавим к этому, что в телевизионной камере 4 в момент t₅ (см. фиг. 8г) низкий уровень в сигнале «IRQ^* заканчивается. Возникающий положительный перепад напряжения устанавливает RS-триггер 4-20 в состояние «0». В результате высокий логический уровень напряжения поддерживается на входе «MS^*» ДТС 4-4, а телевизионная камера 4 из режима «MONOSHOT»возвращается в режим «TV».

Отметим, что в момент t₆ возникающий положительный перепад напряжения в сигнале «IRDY^*» (см. фиг. 8б) осуществляет сброс тревоги в детекторе 4-5 движение, восстанавливая уровень логической «1» на его выходе.

В результате телевизионная система переходит из режима работы «2+3» в режим «2».

Если затем в результате суточного перехода «ночь - день» освещенность на объекте увеличится, то телевизионно-компьютерная система автоматически вновь перейдет из режима «2» в режим «1».

Техническим результатом заявляемого монохромного датчика видеосигнала для этой системы можно считать получение одинакового показателя четкости черно-белого изображения по всему пространству «кольцевого» кадра как в режиме «TV», так и в режиме «MONOSHOT».

В настоящее время все элементы структурной схемы устройства датчика монохромного видеосигнала освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2565064, МПК G08B 13/196. Устройство телевизионно-компьютерной системы для панорамной охраны «день - ночь» / В.М. Смелков // Б.И. - 2015. - №29.

2. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. – М.: Радио и связь, 1986.

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

4. Цыцулин А.К. Телевидение и космос: Учебное пособие. / Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003.

Изобретение относится к панорамному видеонаблюдению «день - ночь», которое выполняется в вечернее и/или в ночное время суток телевизионно-компьютерной системой кругового обзора в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места. Техническим результатом является выравнивание разрешающей способности изображения монохромного датчика видеосигнала. Результат достигается путем реализации в его «кольцевом» фотоприемнике различных по площади светочувствительных элементов и управления зарядовым считыванием в видеосигнале сенсора с одинаковой величиной площади апертуры. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство датчика монохромного видеосигнала для телевизионно-компьютерной системы панорамной охраны «день - ночь», которое формирует «кольцевой» растр изображения, передавая на выход в аналоговой форме композитный монохромный видеосигнал, и содержит в своем составе «кольцевой» фотоприемник, блок «кольцевой» развертки и сигнальный процессор, выход которого является выходом композитного видеосигнала датчика, при этом «кольцевой» фотоприемник, выполненный по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), имеет кристалл мишени в виде кругового кольца из кремния и состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, «кольцевого» регистра сдвига и преобразователя «заряд - напряжение» (БПЗН), причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, число элементов которого равно числу элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области, при этом блок «кольцевой» развертки состоит из временного контроллера, первого преобразователя уровней (ПУ), второго ПУ и третьего ПУ, причем первый управляющий вход фотоприприемной области «кольцевого» фотоприемника подключен к выходу первого ПУ, управляющий вход «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника - к выходу второго ПУ, управляющий вход БПЗН «кольцевого» фотоприемника – к выходу третьего ПУ, а выход БПЗН «кольцевого» фотоприемника - к информационному входу сигнального процессора, выход управления экспозицией которого подключен к первому управляющему входу временного контроллера, первый выход которого подключен к входу первого ПУ, второй выход временного контроллера - к входу второго ПУ, а третий выход временного контроллера - к входу синхронизации сигнального процессора, при этом четвертый, пятый и шестой выходы временного контроллера являются соответственно выходом «сигнала готовности изображения» датчика, выходом «сигнала квитирования изображения» датчика и выходом строчных синхроимпульсов датчика, а второй, третий и четвертый управляющие входы временного контроллера - соответственно входом «выбора режима работы» датчика, входом «сигнала накопления кадра» датчика и входом «сигнала запроса изображения» датчика, отличающееся тем, что в него введен блок формирования апертуры (БФА), информационный вход которого подключен к седьмому выходу временного контроллера, синхронизирующий вход БФА - к восьмому выходу временного контроллера, а выход БФА - к входу третьего ПУ, при этом на фотоприемной области сенсора площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов различны от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига, при реализации в выходном видеосигнале сенсора одинаковой площади считывающей апертуры, причем период управляющих импульсов T_r, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением

где Т_р - период считывания элемента в «кольцевом» фотоприемнике;

n_m - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике равна отношению

где Δ₁ и Δ_m - соответственно площадь светочувствительного элемента для первой и текущей строк считывания в «кольцевом» фотоприемнике.

2. Устройство датчика по п. 1, отличающееся тем, что «кольцевой» фотоприемник выполнен из арсенида галлия.

3. Устройство датчика по п. 1, отличающееся тем, что в «кольцевом» фотоприемнике электроды зарядового переноса на фотоприемной области и в «кольцевом» регистре сдвига выполнены с геометрической формой в виде части кругового кольца.

4. Устройство датчика по п. 1, отличающееся тем, что БФА выполнен в составе временного контроллера блока «кольцевой» развертки.