Способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС в условиях сложной освещённости и/или сложной яркости объектов, компьютерной регистрации видеосигнала и его воспроизведения Российский патент 2019 года по МПК H04N5/00 

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, выполненных на базе матричных телевизионных сенсоров по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), в которых обеспечена электронная регулировка чувствительности за счет изменения внутрикадрового времени накопления.

При этом управление работой телевизионной камеры, регистрация ее видеосигнала и его воспроизведение осуществляется при помощи компьютеров, объединенных в локальную вычислительную сеть.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС [1], основанный на том, что параллельно поэлементному считыванию видеосигнала на выходе фотоприемника, который имеет схемотехническую организацию «кадровый перенос» и состоит из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, секции памяти и выходного регистра сдвига, заканчивающегося блоком преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), а его выход является выходом «видео» фотоприемника, выполняют опережающее и неразрушающее измерение уровня зарядового рельефа в секции накопления сенсора путем преобразования в напряжение токового сигнала в цепи первого фазного электрода мишени, причем одновременно с формированием этого сигнала периодически, непосредственно в течение времени накопления заряда каждого кадра, монотонно изменяют напряжение обеднения второго фазного электрода мишени от нулевого до удвоенного значения потенциала накопления, а после преобразования в напряжение токового сигнала из него вычитают с соответствующим весовым коэффициентом монотонно изменяющееся напряжение обеднения второго фазного электрода мишени, причем секция накопления матрицы ПЗС, имеющая формат (отношение ширины секции к ее высоте) больше единицы, разделена по горизонтали на n изолированных друг от друга мишеней с одинаковым форматом, которые имеют параллельно действующее управление процессами фотоприема и развертки, при этом пиковое значение разностного сигнала, полученное путем опережающего и неразрушающего измерения уровня зарядового рельефа на каждой из n мишеней, используется в качестве управляющего напряжения по определению текущей длительности накопления за кадр для каждой этой отдельно взятой мишени.

Отметим, что у прототипа [1] текущая загрузка информационными зарядовыми пакетами выходного регистра матрицы ПЗС выполняется в пределах временного промежутка, который в телевизионной развертке занимает интервал τ_о.х.с - длительность обратного хода по строке. Перенос этих зарядовых пакетов вдоль выходного регистра и считывание в БПЗН производится с частотой поэлементного переноса f_э.

Данный способ управления чувствительностью принципиально способен решить задачу адаптации в условиях быстро изменяющейся освещенности (яркости участков сцены, наблюдаемой в поле зрения камеры., но только для тех его фрагментов, которые имеют по этому показателю протяженность на всю высоту изображения.

Поэтому способ управления чувствительностью прототипа [1] не справляется с ситуацией, когда фрагменты сцены, контролируемой с различной освещенностью (яркостью), имеют протяженность на всю ширину изображения. Неизбежно возникает сбой в реализации задачи адаптации и ухудшение качества изображения по всему кадру.

Это объясняется тем, что в этих условиях автоматическая регулировка времени накопления (АРВН) телевизионной камеры, работающая по этому сигналу управления чувствительности, выполняет отсчет напряжения для отдельно взятого фрагмента при помощи амплитудного детектора по пиковому значению видеосигнала, формируемого на выходе фотоприемника. Но распространяет свой полученный результат, а именно: длительность времени накопления, - на все элементы (пикселы) этого участка, которые он занимает на мишени по высоте.

Недостаток способа управления чувствительностью в прототипе [1] заключается в том, что возникает режим ограниченного накопления (по времени) для тех участков изображения, которые наблюдаются при низкой освещенности (яркости) соответствующих им объектов, когда их расположение в поле зрения телевизионной камеры является произвольным.

Задачей изобретения является повышение чувствительности для фрагментов контролируемого изображения путем увеличения для них времени накопления при параллельной организации выбора их пространственного положения и с выполнением компьютерной реконструкции формируемого изображения, а также с одновременной реализацией экономии энергопотребления фотоприемника.

Поставленная задача в заявляемом способе управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС, основанном на том, что параллельно поэлементному считыванию видеосигнала на выходе фотоприемника, который имеет схемотехническую организацию «кадровый перенос» и состоит из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, секции памяти и выходного регистра сдвига, заканчивающегося блоком преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), а его выход является выходом «видео» фотоприемника, выполняют опережающее и неразрушающее измерение уровня зарядового рельефа в секции накопления сенсора путем преобразования в напряжение токового сигнала в цепи первого фазного электрода мишени, причем одновременно с формированием этого сигнала периодически, непосредственно в течение времени накопления заряда каждого кадра, монотонно изменяют напряжение обеднения второго фазного электрода мишени от нулевого до удвоенного значения потенциала накопления, а после преобразования в напряжение токового сигнала из него вычитают с соответствующим весовым коэффициентом монотонно изменяющееся напряжение обеднения второго фазного электрода мишени, причем секция накопления матрицы ПЗС, имеющая формат (отношение ширины секции к ее высоте) больше единицы, разделена по горизонтали на n изолированных друг от друга мишеней с одинаковым форматом, которые имеют параллельно действующее управление процессами фотоприема и развертки, при этом пиковое значение разностного сигнала, полученное путем опережающего и неразрушающего измерения уровня зарядового рельефа на каждой из n мишеней, используется в качестве управляющего напряжения по определению текущей длительности накопления за кадр для каждой этой отдельно взятой мишени, решается тем, что в выходном регистре сдвига матрицы ПЗС частоту поэлементного переноса зарядовых пакетов f_э снижают в два раза, а сам выходной регистр выполняют в виде двух смежных линейных регистров, действующих поочередно на первый двухканальный БПЗН в одном направлении или на второй двухканальный БПЗН в противоположном направлении, при этом каждый из этих линейных регистров содержит половину элементов от числа пикселов для каждой фотоприемной строки, а в интервале τ_о.х.с. загружают зарядовыми пакетами текущей информационной строки оба линейных» регистра последовательно во времени и раздельно для нечетных и четных пикселов этой строки, а число фазных электродов для отдельно взятого пиксела в обоих линейных регистрах должно быть четным, составляя показатель 2 или 4, причем для оптимизации выбора режима накопления матрицы ПЗС реализуют пространственный поворот фотоприемника вокруг центральной точки его мишени на угол 90°, (по часовой стрелке), переводя пространственное положение мишени из «альбомного» в «книжное», формируют композитный видеосигнал «видео 1» или «видео 2» в соответствии с двумя пространственными положения матрицы ПЗС, преобразуют на выходе телевизионной камеры аналоговый видеосигнал в цифровой телевизионный сигнал, транслируют для записи поочередно цифровой видеосигнал «видео 1» и «видео 2» на вход первого и соответственно на вход второго блоков оперативной памяти на кадр основного компьютера, являющегося сервером локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров пользователей, причем во втором блоке памяти сервера дополнительно выполняют перезапись изображения с поворотом его на угол 90° (против часовой стрелки), формируя видеосигнал «видео 2*», при этом операторам персональных компьютеров по выходу «Сеть» сервера предоставляется доступ к считываемым из блоков оперативной памяти сервера выходным цифровым сигналам «видео 1» и «видео 2*», а также дополнительно - к цифровому массиву «видео 3», который является компьютерной реконструкцией наблюдаемого изображения, выполняемой программным путем.

Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемый способ отличается наличием следующих признаков:

выбором одного из двух возможных пространственных положений матрицы ПЗС путем поворота ее мишени на угол 90° относительно предыдущего положения;

предоставлением компьютерного доступа к двум цифровым массивам данных по видеосигналу для одной и той же наблюдаемой сцены, полученных при отличающихся друг от друга режимах накопления информативных зарядов матрицей ПЗС, а также доступа к цифровому массиву реконструируемого изображения.

новой организацией выходного регистра сдвига матричного фотоприемника, снабженного двумя БПЗН, с реализацией поэлементного переноса зарядов вдоль выходного регистра в двух противоположных направлениях;

выполнением экономии энергопотребления матричного фотоприемника за счет снижения в два раза частоты поэлементного переноса f_э а также новой организацией в нем составляющих его блоков: выходного регистра и БПЗН.

Согласно заявляемому способу выходной регистр сдвига состоит из двух параллельно действующих линейных регистров, а каждый из двух БПЗН является двухканальным блоком. При этом зарядовые сигналы будут регистрироваться в первом или во втором БПЗН в правильном фазовом соотношении за счет выбора четного показателя для числа фазных электродов применительно к отдельно взятому элементу этих регистров.

Здесь важно отметить следующее. Из монографии [2, с. 153] известно, что в n-канальном ПЗС с размером ячейки 30 мкм, работающем на частоте 1 МГц, зарядовый пакет величиной 0,5 пКл потребляет удельную мощность около 2,8 нВт/элемент. И эта величина растет как квадрат рабочей частоты!

При организации для матричного фотоприемника на ПЗС такого режима управления поэлементным переносом зарядовых пакетов разрешающая способность видеосигнала наблюдаемого сюжета остается неизменной, а энергопотребление телевизионной камеры на базе такого сенсора - «тормозится», компенсируя полностью или частично сопутствующие энергетические затраты.

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

По техническому результату и методу его достижения предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 изображена структурная схема компьютерной системы, в которой реализован заявляемый способ; на фиг. 2 приведена схемотехническая организация фотоприемника телевизионной камеры - матрицы ПЗС кадрового переноса с четырьмя изолированными мишенями (n=4); на фиг. 3 показаны два рабочих положения матричного фотоприемника, в которых относительно друг друга реализован пространственный поворот мишени на угол 90°; на фиг. 4 представлена структурная схема устройства, поясняющая реализацию заявляемого способа управления чувствительностью для одной отдельно взятой (изолированной) мишени;; на фиг. 5 - схематический поперечный разрез фрагмента мишени этого сенсора при трехфазном переносе зарядовых пакетов; на фиг. 6 - временные диаграммы (упрощенные осциллограммы) сопутствующих сигналов; на фиг. 7б) - эпюра, иллюстрирующая импульсный сигнал, подаваемый на электронный затвор отдельно взятой мишени; на фиг. 7а) - циклограмма кадрового гасящего импульса, необходимая для оценки временного положения импульса на фиг. 7б); на фиг. 8а) и 8б) показано положение четырех «окон» фотометрирования секции накопления матрицы ПЗС в условиях ее сложной освещенности и/или сложной яркости применительно к двум рабочим положениям фотоприемника; на фиг. 9 - эпюры, поясняющие управление первым и вторым линейными регистрами фотоприемника, в котором управление поэлементным переносом осуществляется согласно заявляемому способу.

Матрица 1 на ПЗС (фиг. 1) с организацией «кадровый перенос» выполнена на кремниевом кристалле и состоит из связанных последовательно зарядовой связью секции 1-1-1 накопления, секции 1-1-2 памяти, первого линейного регистра 1-1-3-(1), второго линейного регистра 1-1-3-(2), первого БПЗН 1-1-4-(1) и второго БПЗН 1-1-4-(2).

Штрихпунктирные линии на фиг. 2 показывают выделение на секции 1-1-1 накопления фотоприемника четырех изолированных мишеней с одинаковым форматом, т.е. n=4. Введем обозначение данных сенсоров соответственно как: 1-1-1-1, 1-1-1-2, 1-1-1-3 и 1-1-1-4.

Предполагается, что для всех четырех изолированных мишеней действует параллельное управление, которое, как и в прототипе [1] обеспечивает:

процесс неразрушающего измерения уровня зарядового рельефа для получения опережающего сигнала управления;

процесс текущего накопления зарядового рельефа в соответствии с длительностью, задаваемой выходным импульсом на входе электронного затвора каждой мишени, т.е. через GA1, GA2, GA3 и GA4, как показано на фиг. 2.

Организация этого параллельного управления может быть осуществлена за счет «размножения» импульсных сигналов при помощи внешних буферных каскадов для готовых микросхем, реализующих набор (комплект) необходимых управляющих напряжений.

Предлагаемый в настоящем техническом решении способ управления чувствительностью телевизионной камеры может быть реализован и для двух других технологических вариантов матрицы ПЗС, т.е. для сенсоров, изготовленных соответственно по методу «строчный перенос» и «строчно-кадровый перенос» [3, с. 134-137]. При этом фотоприемная область этих приборов, в которой вертикально расположенные линейки светочувствительных элементов чередуются с вертикальными линейками изолированных от света пикселов, должна быть технологически подготовлена аналогично секции накопления матрицы ПЗС кадрового переноса, т.е. путем разделения по горизонтали на n изолированных друг от друга мишеней с одинаковым форматом, а выходной регистр этих сенсоров выполнен в виде двух смежных линейных регистров, действующих поочередно на первый двухканальный БПЗН или при изменении направления (реверсе) поэлементного переноса - на второй двухканальный БПЗН.

Рассмотрим анонсированную ранее структурную схему на фиг. 4. Она содержит фотоприемник 1-1-1-1, а все его фазные электроды, за исключением электродов первой и второй фазы мишени, подключены непосредственно к соответствующим выходам блока 1-2 управляющих напряжений мишени; первый фазный электрод мишени сенсора 1-1-1-1 подключен к входу преобразователя 1-3 «ток - напряжение», выход которого подключен к неинвертирующему входу блока 1-4 вычитания; второй фазный электрод мишени сенсора 1-1-1-1 - к выходу генератора 1-5 линейно изменяющегося напряжения, который стробируется по входу «Запуск развертки»; выход генератора 1-5 линейно изменяющегося напряжения дополнительно через делитель 1-6 напряжения подключен к инвертирующему входу блока 1-4 вычитания, выход которого соединен с информационным входом пикового детектора 1-7, управляющий вход которого подключен к импульсу сброса, а выход - к входу преобразователя 1-8 «напряжение - время». Отметим, что блок 1-8 является по сути широтно-импульсным модулятором (ШИМ), а его выходной сигнал (см. фиг. 7б) подключен к управляющему входу GA1 сенсора 1-1-1-1 - его «электронному» затвору.

Пунктирные линии на фиг. 4 отражают наличие имеющихся электрических связей между первыми и соответственно вторыми фазными электродами сенсора 1-1-1-1 и блоком 1-2 управляющих напряжений мишени, которые далее не комментируются.

Для упрощения будем полагать, что фрагмент сенсора 1-1-1-1, показанный на фиг. 5, отображает всю эту мишень, которая состоит из четырех трехфазных элементов, которые выполнены на кремниевом кристалле по технологии ПЗС с каналом проводимости р-типа. Это означает, что для выполнения переноса зарядовых пакетов управляющие смещения на фазных электродах фотоприемника должны иметь отрицательную полярность относительно подложки кристалла. Именно такую проводимость канала имела отечественная матрица ПЗС, серийно выпускавшаяся в СССР как изделие под маркой К1200ЦМ1, которая была использована авторами работы [4] в экспериментальных исследованиях.

В нашем примере будем считать, что во время развертки к третьему фазному электроду (Ф3) мишени приложено нулевое напряжение подложки кристалла сенсора 1-1-1-1, которое необходимо для создания барьеров, препятствующих растеканию зарядов в соседние потенциальные ямы. Рассмотрим режим работы (см. фиг. 6), когда перед разверткой напряжения на первом (Ф1) и втором (Ф2) фазных электродах мишени устанавливаются одинаковыми и равными минус U_н относительно подожки. При этом в каждом элементе мишени накопленный заряд делится на две равные части: половина заряда находится под правым (вторым) фазным электродом, вторая половина - под левым (первом) фазным электродом. Очевидно, что при неравномерной засветке мишени в каждом ее пикселе накапливается разное количество заряда.

В некоторый момент включается генератор 1-5 линейно изменяющегося напряжения, предназначенный для осуществления этой быстродействующей развертки зарядового сигнала, и потенциал на втором фазном электроде мишени начинает плавно возрастать (фиг. 6а). При этом в каждом пикселе глубина потенциальных ям под вторыми фазными электродами уменьшается (см. фиг. 5), поэтому во всех элементах мишени начинается процесс переноса заряда из правого электрода под левый электрод. В результате движения заряда в цепи левого (первого) фазного электрода мишени возникает ток, равный сумме токов в каждом ее пикселе, как показано на фиг. 6б. Сначала этот ток (I₁) максимален, т.к. заряд есть в каждом пикселе. По мере роста потенциала на втором фазном электроде наступает момент, когда в пикселе с наименьшим количеством зарядовых носителей весь заряд перетекает из правого фазного электрода в левый фазный электрод. При этом суммарный ток уменьшается (фиг. 6б). Затем кончается заряд под правым фазным электродом в следующем пикселе, и суммарный ток снова уменьшается. Так продолжается до тех пор, пока не кончится заряд под правым фазным электродом мишени в пикселе, содержащем перед началом процесса зарядового переноса наибольшее количество зарядовых носителе. После этого ток (I₁) становится равным нулю, и весь заряд мишени оказывается в потенциальных ямах первого фазного электрода.

В сформированном так токе (фиг. 6б) заключена информация о распределении зарядов по всей поверхности мишени 1-1-1-1.

Следует признать, что точность этой информации ограничена помехой (см. эпюру I_п на фиг. 6б), возникающей из-за перезаряда ПЗС-структуры развертывающим линейно изменяющимся напряжением, т.е. в действительности величина возникающего тока составляет: Z_(t)=I₁+I_п.

Для вычитания этой помехи служит делитель 1-6 напряжения и блок 1-4 вычитания.

При реализации настоящего изобретательского решения можно использовать не только линейно возрастающее напряжение, но и линейно убывающее напряжение. Например, при использовании удвоенного размаха линейно изменяющегося напряжения (см. пунктир на фиг. 6а) напряжение на втором фазном электроде за время развертки уменьшается относительно подложки кристалла фотоприемника от минус U_н до минус 2U_н. Тогда возникающий ток изменяет свое направление, т.к. заряд перетекает не из правых электродов под левые электроды, а наоборот.

Интересующий нас информационный уровень напряжения, появляющийся на выходе блока 1-4 вычитания в течение телевизионного кадра, будет фиксироваться пиковым детектором 1-7, который перед этим измерением должен быть обязательно обнулен при помощи импульса сброса.

Полученное таким образом управляющее напряжение для блока 1-8 определяет на его выходе цифровой сигнал накопления в сенсоре 1-1-1-1, (см. фиг. 7б), который может изменяться в течение кадра (T_к) от максимального значения до его минимального отсчета в зависимости от уровня освещенности контролируемой сцены. Для регулировки чувствительности сенсора цифровой сигнал накопления подается на управляющий вход сенсора 1-1-1-1, являющийся его «электронным» затвором GA1 (см. фиг. 4).

Важно отметить, что период упомянутой нами линейной развертки микро может составлять всего лишь 20 мкс, что подтверждено экспериментально в работе [4, с. 101], а это является гарантом повышения точности управления (слежения) за параметром чувствительность телевизионной камеры в условиях и быстро изменяющейся освещенности контролируемой сцены.

Очевидно, что такой процесс оптимизированного накопления зарядов на секции 1-1-1 матрицы ПЗС в зависимости от уровня освещенности контролируемой сцены будет происходить параллельно и на всех четырех мишенях 1-1-1-1, 1-1-1-2, 1-1-1-3 и 1-1-1-4 путем управления через соответствующие затворы GA1, GA2, GA3 и GA4 (см. фиг. 2).

Компьютерная система (см. фиг. 1), содержащая в своем составе телевизионную камеру в позиции 1, компьютер оператора в позиции 2, являющийся сервером локальной вычислительной сети, к которому подключены три персональных компьютера в позиции 3, работает следующим образом.

Допустим, что в телевизионной камере 1 первоначальное пространственное положение фотоприемника 1-1 на ПЗС) соответствует тому, что приведено на фиг. 2. Здесь матрица ПЗС занимает положение, показанное на фиг. 3а. Это так называемая «альбомная» ориентация мишени нашего сенсора относительно контролируемого сюжета.

Оптическое изображение наблюдаемой сцены в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов проецируется на секцию накопления 1-1-1 матрицы ПЗС, а, следовательно, и на все четыре составляющие ее мишени (1-1-1-1, 1-1-1-2, 1-1-1-3, 1-1-1-4).

Пусть в нашем примере, показанном на фиг. 8а, в условиях высокой освещенности наблюдаемого сюжета оказывается область, которую занимает «Окно» 1; в условиях слабо пониженной освещенности - «Окно» 2; в условиях средне пониженной освещенности - «Окно» 3, а в условиях существенно пониженной освещенности - «Окно» 4.

В интервале прямого хода каждого телевизионного кадра происходит процесс оптимизированного накопления зарядов в светочувствительных пикселах всех четырех мишеней 1-1-1-1, 1-1-1-2, 1-1-1-3 и 1-1-1-4 пропорционально освещенности контролируемого сюжета.

В течение промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки заряды всех строк, участвовавших в накоплении, переносятся в экранированные от света пикселы, расположенные в секции 1-1-2 памяти.

Затем в новом кадровом цикле выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты переносятся из секции 1-1-2 памяти на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода строчной развертки (τ_о.х.с) новыми зарядами оба линейных регистра. Заметим, что на фиг. 2 затворы загрузки показаны утолщенными линиями.

Рассмотрим подробнее «механизм» зарядовой загрузки, используя временные диаграммы сигналов, представленные на фиг. 9.

На фиг. 9а изображена эпюра сигнала для строчного гасящего импульса телевизионной развертки, активно действующего в течение интервала τ_о.х.с. с периодом строк Т_с.

На фиг. 9б, фиг. 9в показаны эпюры импульсных сигналов, управляющие затворами загрузки второго линейного регистра 1-1-3-(2) и первого линейного регистра 1-1-3-(1) соответственно.

Отметим, что первый линейный регистр 1-1-3-(1) является универсальным, обеспечивая перенос зарядовых пакетов двух направлениях, а именно: как вдоль регистра, так и поперек (насквозь), т.е. в ячейки второго линейного регистра 1-1-3-(2).

Для реализации второй функции в зазоры между элементами регистра 1-1-3-(1), имеющими ширину пиксела, устанавливаются дополнительные электроды (на фиг. 2 они отмечены пунктиром), соединенные между собой и подключенные к постоянному напряжению, величина которого не менее управляющего потенциала зарядового переноса. Эти дополнительные электроды выполняют одновременно и другую важную роль, а именно: исключают зарядовые потери при переносе в регистре 1-1-3-(1). По этой причине точно такие же дополнительные электроды устанавливаются и в зазоры между элементами регистра 1-1-3-(2).

На фиг. 9г, фиг. 9д представлены эпюры импульсных сигналов, управляющие работой обоих линейных регистров параллельно применительно для двухфазной системы зарядового переноса зарядов, где Т_э=1/f_э - период поэлементного переноса зарядовых пакетов.

В промежутке τ_о.х.с. - интервале активного действия импульса на фиг. 9б через открытый затвор загрузки в регистр 1-1-3-(2), в ячейки под первыми фазными электродами, будут поступать заряды первого, третьего, пятого и других нечетных элементов этой строки.

А в последующем интервале τ_о.х.с. - интервале активного действия импульса, изображенного на фиг. 9в, через открытый затвор, в ячейки под первыми фазными электродами, будет загружаться зарядами регистр 1-1-3-(1), но применительно для второго, четвертого, шестого и других четных элементов этой строки.

Отметим, что в этом временном промежутке зарядовые пакеты, загруженные ранее в линейный регистр 1-1-3-(2), остаются там «на своих местах», находясь потенциальных ямах этого регистра в режиме хранения.

Зарядовые пакеты каждой строки в каждом последующем кадровом цикле поэлементно считываются в первом БПЗН 1-1-4-(1), формируя на его выходе аналоговый видеосигнал наблюдаемого изображения.

Технический результат заявляемого решения обеспечивается тем, что в телевизионной камере будут в полностью автоматическом режиме получены оптимальные показатели для времени накопления (Т_н) применительно ко всем n участкам площади мишени матрицы ПЗС.

Следовательно, как и в прототипе [1], будет достигнуто повышенное отношение сигнал/шум (ψ) формируемого видеосигнала и соответственно увеличение чувствительности для тех участков изображения, которые регистрируются при низкой освещенности (яркости) соответствующих им объектов, и, что не менее важно, - с выполнением экономии по энергопотреблению сенсора.

Допустим, что условия сложной освещенности наблюдаемой сцены и/или сложной яркости контролируемых объектов существенно изменились с позиции пространственного расположения. А именно, проецируемые на секцию 1-1-1 накопления фрагменты изображений из «расположенных вертикально» становятся фрагментами «расположенными горизонтально».

Очевидно, что в этой ситуации неизбежна потеря чувствительности телевизионной камеры на ПЗС за счет ошибки в отсчете времени накопления фотоприемника для фрагментов изображений, наблюдаемых в условиях пониженной освещенности.

Но заявляемый способ успешно преодолевает эту «ситуационную» трудность. Для этого необходимо выполнить пространственный поворот фотоприемника вокруг центральной точки его мишени на угол 90° (в направлении против часовой стрелки). Очевидно, что необходимый поворот фотоприемника может быть выполнен вручную, а может быть реализован оператором компьютера 2 дистанционно при помощи команды, подаваемой на электромеханический блок наведения, входящий в состав телевизионной камеры 1 (см. фиг. 1).

Тогда матрица ПЗС будет занимать пространственное положение, показанное на фиг. 3б. Это будет так называемая «книжная» или «портретная» ориентация мишени нашего фотоприемника относительно контролируемого сюжета.

В результате для сенсора «окна» фотометрирования становятся ориентированными в пространстве не вертикально, а горизонтально, как представлено на фиг. 8б.

В рассматриваемом примере в условиях высокой освещенности наблюдаемого сюжета там оказывается область, которую занимает «Окно» 4; в условиях слабо пониженной освещенности - «Окно» 3; в условиях средне пониженной освещенности - «Окно» 2, а в условиях существенно пониженной освещенности - «Окно» 1. Поэтому отсчет времени накопления для каждого из этих фрагментов изображений, осуществляемый за счет пикового детектирования видеосигнала, будет правильным, т.е. реализующим искомый рост чувствительности сенсора.

Затем первый и второй регистры матрицы ПЗС будут поочередно переносить заряды в противоположном направлении, т.е. в сторону второго БПЗН 1-1-4-(2), где они аналогичным образом регистрируются в виде другого аналогового видеосигнала, который является альтернативой предыдущему видеосигналу.

В результате этого чувствительность фотоприемника будет повышена. Отметим, что реверсивное движение зарядов в регистрах и введение в состав фотоприемника второго БПЗН необходимо для того, чтобы избежать «зеркальности» формируемого изображения.

Для контролируемого сюжета площадь совпадения применительно к двум пространственным положениям секции накопления фотоприемника составляет обратную величину показателя формата мишени. Для формата мишени 4:3 она составляет 75%, а для формата мишени 16:9 - чуть более 56%.

Очевидно, что, чем больше этот показатель, тем потенциально более высокий технический результат может быть получен для заявляемого решения. Но показатель совпадения на 100% имеет место только для формата мишени матрицы ПЗС, равного 1:1.

С другой стороны, форматы мишени 4:3 и 16:9 имеют большее распространение в телевизионной технике, и этот компромисс вполне целесообразен.

Но вернемся к продолжению рассмотрения работы телевизионной камеры 1.

Из создаваемых на первом и втором выходах «Видео» фотоприемника 1-1 первоначальных (исходных) сигналов изображения в видеопроцессоре телевизионной камеры формируются композитные аналоговые видеосигналы «видео 1» и «видео 2». А затем они преобразуются на выходе камеры в поочередно действующие цифровые телевизионные сигналы -соответственно «видео 1» или «видео 2».

Далее цифровые видеосигналы поочередно передаются по интерфейсу (например, USB 2,0) на основной компьютер 2 (компьютер оператора), являющийся сервером локальной вычислительной сети. В этом сервере осуществляется запись каждого из цифровых видеосигналов в свой блок оперативной памяти, при этом для «видео 2» во втором блоке памяти дополнительно выполняется перезапись изображения с поворотом на угол 90° (против часовой стрелки). Обозначим этот новый цифровой массив видеосигнала как «видео 2*».

Операторам персональных компьютеров 3 по выходу «Сеть» сервера 2 предоставляется доступ к считываемым из блоков оперативной памяти выходным цифровым сигналам «видео 1» и «видео 2*».

Наличие этих цифровых видеосигналов позволяет получить в основном компьютере 2 дополнительную информацию путем реализации компьютерной реконструкции наблюдаемого изображения, выполняемой программным путем по соотношению:

где - пиксельные отсчеты текущего видеосигнала на выходе реконструируемого изображения;

- пиксельные отсчеты изображений «видео 1» или «видео 2*», выбираемые по критерию наибольшей и неискаженной величины текущего видеосигнала, т.е. исключая его ограничение по максимальному уровню

Отметим, что цифровой массив «видео 3» также может быть предоставлен всем компьютерным пользователями 3.

В настоящее время все элементы схемотехническая организация матричного фотоприемника на ПЗС, а также блоки и элементы комментируемой структурной схемы устройства АРВН сенсора, реализующей предлагаемый способ управления чувствительностью телевизионной камеры, компьютерной регистрации видеосигнала и его воспроизведения, освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2670419. МПК H04N 5/228. Способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов. / В. М. Смелков // Б.И.-2018. - №30.

2. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. Перевод с англ. - «Мир», 1978.

3. Владо Дамьяновски. CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии. Перевод с англ. - М.: «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.

4. Хромов Л.И., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Видеоинформатика. Передача и компьютерная обработка видеоинформации. - М.: «Радио и связь», 1991.

Изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, выполненных на базе матричных телевизионных сенсоров по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), в которых обеспечена электронная регулировка чувствительности за счет изменения внутрикадрового времени накопления. Техническим результатом является повышение чувствительности для фрагментов контролируемого изображения путем увеличения для них времени накопления при параллельной организации выбора их пространственного положения и с выполнением компьютерной реконструкции формируемого изображения, а также с одновременной реализацией экономии энергопотребления фотоприемника. Результат достигается тем, что в выходном регистре сдвига матрицы ПЗС частоту поэлементного переноса зарядовых пакетов ƒ_э снижают в два раза и выходной регистр сдвига выполняют в виде двух смежных линейных регистров, действующих поочередно на первый двухканальный БПЗН в одном направлении или на второй двухканальный БПЗН в противоположном направлении, при этом каждый из этих линейных регистров содержит половину элементов от числа пикселов для каждой фотоприемной строки, а для оптимизации выбора режима накопления матрицы ПЗС реализуют пространственный поворот фотоприемника вокруг центральной точки его мишени на угол 90° (по часовой стрелке), переводя пространственное положение мишени из «альбомного» в «книжное», формируют композитный видеосигнал «видео 1» или «видео 2» в соответствии с двумя пространственными положения матрицы ПЗС. При этом управление работой телевизионной камеры, регистрация ее видеосигнала и его воспроизведение осуществляются при помощи компьютеров, объединенных в локальную вычислительную сеть. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов, компьютерной регистрации видеосигнала и его воспроизведения, основанный на том, что параллельно поэлементному считыванию видеосигнала на выходе фотоприемника, который имеет схемотехническую организацию «кадровый перенос» и состоит из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, секции памяти и выходного регистра сдвига, заканчивающегося блоком преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), а его выход является выходом «видео» фотоприемника, выполняют опережающее и неразрушающее измерение уровня зарядового рельефа в секции накопления сенсора путем преобразования в напряжение токового сигнала в цепи первого фазного электрода мишени, причем одновременно с формированием этого сигнала периодически, непосредственно в течение времени накопления заряда каждого кадра, монотонно изменяют напряжение обеднения второго фазного электрода мишени от нулевого до удвоенного значения потенциала накопления, а после преобразования в напряжение токового сигнала из него вычитают с соответствующим весовым коэффициентом монотонно изменяющееся напряжение обеднения второго фазного электрода мишени, причем секция накопления матрицы ПЗС, имеющая формат (отношение ширины секции к ее высоте) больше единицы, разделена по горизонтали на n изолированных друг от друга мишеней с одинаковым форматом, которые имеют параллельно действующее управление процессами фотоприема и развертки, при этом пиковое значение разностного сигнала, полученное путем опережающего и неразрушающего измерения уровня зарядового рельефа на каждой из n мишеней, используется в качестве управляющего напряжения по определению текущей длительности накопления за кадр для каждой этой отдельно взятой мишени, отличающийся тем, что в выходном регистре сдвига матрицы ПЗС частоту поэлементного переноса зарядовых пакетов ƒ_э снижают в два раза, а сам выходной регистр сдвига выполняют в виде двух смежных линейных регистров, действующих поочередно на первый двухканальный БПЗН в одном направлении или на второй двухканальный БПЗН в противоположном направлении, при этом каждый из этих линейных регистров содержит половину элементов от числа пикселов для каждой фотоприемной строки, а в интервале τ_о.х.с. загружают зарядовыми пакетами текущей информационной строки оба линейных» регистра последовательно во времени и раздельно для нечетных и четных пикселов этой строки, а число фазных электродов для отдельно взятого пиксела в обоих линейных регистрах должно быть четным, составляя показатель 2 или 4, причем для оптимизации выбора режима накопления матрицы ПЗС реализуют пространственный поворот фотоприемника вокруг центральной точки его мишени на угол 90° (по часовой стрелке), переводя пространственное положение мишени из «альбомного» в «книжное», формируют композитный видеосигнал «видео 1» или «видео 2» в соответствии с двумя пространственными положениями матрицы ПЗС, преобразуют на выходе телевизионной камеры аналоговый видеосигнал в цифровой телевизионный сигнал, транслируют для записи поочередно цифровой видеосигнал «видео 1» и «видео 2» на вход первого и соответственно на вход второго блоков оперативной памяти на кадр основного компьютера, являющегося сервером локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров пользователей, причем во втором блоке памяти сервера дополнительно выполняют перезапись изображения с поворотом его на угол 90° (против часовой стрелки), формируя видеосигнал «видео 2*», при этом операторам персональных компьютеров по выходу «Сеть» сервера предоставляется доступ к считываемым из блоков оперативной памяти сервера выходным цифровым сигналам «видео 1» и «видео 2*», а также дополнительно - к цифровому массиву «видео 3», который является компьютерной реконструкцией наблюдаемого изображения, выполняемой программным путем по соотношению:

где - пиксельные отсчеты текущего видеосигнала на выходе реконструируемого изображения;

- пиксельные отсчеты изображений «видео 1» или «видео 2*», выбираемые по критерию наибольшей и неискаженной (неограниченной) величины текущего видеосигнала.

2. Способ управления чувствительностью по п. 1, отличающийся тем, что пространственный поворот фотоприемника на угол 90° и обратно в телевизионной камере выполняют дистанционно по команде оператора основного компьютера.