Способ формирования видеосигнала в телевизионно-компьютерной системе для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца Российский патент 2019 года по МПК H04N5/374 

Предлагаемое изобретение на способ относится к телевизионно-компьютерной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, которые выполнены на базе «кольцевых» телевизионных сенсоров по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП), а предназначены для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца.

К таким изделиям могут быть отнесены диски, колеса, фрезы, а также другие детали и принадлежности многочисленных рабочих и транспортных машин. Например, зубчатое колесо - основная деталь зубчатой передачи в виде диска с зубьями, входящими в зацепление с зубьями другого колеса [1, с. 174].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ формирования видеосигнала в телевизионно-компьютерной системе для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца [2], заключающийся в том, что в телевизионной камере оптическое изображение контролируемого объекта проецируют на мишень фотоприемника, изготовленного по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), причем кристалл фотоприемника (сенсора) имеет форму кругового кольца и содержит в его пределах последовательно связанные между собой зарядовой связью «кольцевую» мишень, «кольцевую» секцию памяти, «кольцевой» регистр сдвига и преобразователь «заряд - напряжение» (БПЗН) с организацией «плавающая диффузия», причем линейки светочувствительных элементов мишени и линейки экранированных от света элементов секции памяти расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, а число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени и в каждой «кольцевой» строке секции памяти равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига, причем всю площадь мишени фотоприемника занимают линейки светочувствительных элементов, которые непосредственно и последовательно связаны зарядовой связью с линейками элементов секции памяти, площадь светочувствительных элементов от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента секции памяти; накапливают «кольцевое» зарядовое изображение информационного кадра на светочувствительных элементах мишени, осуществляют «кольцевую» развертку зарядового изображения на мишени, выполняя параллельный перенос зарядов из мишени в секцию памяти с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре сдвига, формируют на выходе БПЗН напряжение аналогового сигнала «кольцевого» изображения контролируемого объекта, причем в процессе получения видеосигнала сенсора управляют площадью считывающей апертуры за счет того, что от строки к строке изменяют период управляющих импульсов T_r, (импульсов сброса) для БПЗН по соотношению:

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, обеспечивая одинаковую величину площади считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» кадра фотоприемника, формируют на выходе «видео» телевизионной камеры цифровой телевизионный сигнал, который транслируют на вход «видео» компьютера, при этом в компьютере для реализации возможности контроля объекта целиком (полностью) выполняют электрическое вписывание изображения «кольцевого» кадра в прямоугольный растр компьютерного монитора, а для реализации возможности контроля отдельных участков этого объекта «кольцевой» кадр считывают из оперативной памяти компьютера при помощи т «прямоугольных» кадров, число которых удовлетворяет соотношению:

где γ - величина захватываемого углового пространства в градусах для участка объекта контроля,

причем величина m является одновременно и показателем кратности увеличения масштаба изображения для участка объекта контроля по отношению к его полному изображению.

Недостаток прототипа способа формирования видеосигнала -ограниченная степень интеграции телевизионной камеры из-за применяемой технологии ПЗС для изготовления ее «кольцевого» сенсора, принципиально не позволяющей разместить на кристалле электронное «обрамление» фотоприемника.

Здесь под этим термином конкретно подразумевается блоковая совокупность телевизионной камеры, включающая в себя блок «кольцевой» развертки видеосигнала, сигнальный процессор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок формирования апертуры (БФА).

Задачей изобретения является повышение степени интеграции телевизионной камеры за счет выполнения «кольцевого» сенсора по технологии КМОП и с размещением на его кристалле электронного «обрамления» фотоприемника.

Поставленная задача в заявляемом способе формирования видеосигнала решается тем, что, как и в прототипе [2], в телевизионной камере оптическое изображение контролируемого объекта проецируют на мишень «кольцевого» фотоприемника, которая содержит линейки светочувствительных пикселов, расположенные вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, причем число светочувствительных пикселов в каждой «кольцевой» строке мишени одинаково, а их площадь от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии сенсора; формируют на выходе «видео» телевизионной камеры цифровой телевизионный сигнал, который транслируют на вход «видео» компьютера, при этом в компьютере для реализации возможности контроля объекта целиком (полностью) выполняют электрическое вписывание изображения «кольцевого» кадра в прямоугольный растр компьютерного монитора, а для реализации возможности контроля отдельных участков этого объекта «кольцевой» кадр считывают из оперативной памяти компьютера при помощи m «прямоугольных» кадров, число которых удовлетворяет соотношению (3), но в отличие от прототипа [2], сенсор выполняют на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K, а также встроенный АЦП, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки сенсора, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество «радиальных» шин видео - число пикселов в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: «кольцевой» регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор «кольцевой» строки; «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого «радиального» столбца, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора строчной развертки, и обеспечивают передачу видеосигнала на выходе каждой «радиальной» шины видео на «кольцевую» шину видео, выход которой является выходом «видео» фотоприемника и одновременно выходом «видео» телевизионной камеры, причем коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки сенсора изменяется по соотношению:

где Δ₁ и Δ_m - соответственно светочувствительная площадь активного пиксела для первой и текущей «кольцевой» строки считывания в «кольцевом» сенсоре, обеспечивая одинаковую величину считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения.

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

Важно отметить следующее. Светочувствительная площадь пикселов «кольцевой» мишени заявляемого фотоприемника, как и для прототипа [1], от строки к строке различна. Это вызывается необходимостью для «кольцевого» фотоприемника, имеющего одинаковое число пикселов в каждой строке, выравнивания разрешающей способности в пределах кадра путем обеспечения одинаковой величины технологического (производственного) зазора между светочувствительными элементами.

Но при этом, как в заявляемом решении, так и в прототипе [2], не происходит межстрочного нарушения чувствительности сенсора по следующим обстоятельствам.

Параметр считывающей апертуры для всех пикселов каждой текущей строки «кольцевого» кадра определяется произведением коэффициента усиления K_m пиксела на величину его светочувствительной площади Л_m.

Как следует из соотношения (4), этот показатель остается постоянным (неизменным) для всех светочувствительных пикселов заявляемого фотоприемника. Не меняется и величина шумовой «дорожки» для каждого активного пиксела сенсора, что является обязательным условием для реализации чувствительности фотоприемника и его отношения сигнал/шум.

Отметим, что в прототипе [2] этот принцип также соблюдается, но реализуется по другому методу, см. опубликованные выше соотношения (1) и (2).

Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 изображена возможная структурная схема устройства для выполнения сетевого компьютерного решения, реализующего заявляемый способ формирования видеосигнала; на фиг. 2 приведена схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника, реализующая заявляемый способ; на фиг. 3 - подробности этой организации применительно к отдельно взятому «радиальному» столбцу; на фиг. 4 - реализация зубчатой передачи, состоящей из трех зубчатых колес; на фиг. 5 - иллюстрация выполнения задачи по электрическому вписыванию изображения «кольцевого» кадра в прямоугольный растр компьютерного монитора; на фиг. 6 - иллюстрация выполнения задачи по конвертированию одного «кольцевого» кадра в шесть «прямоугольных» кадров.

Устройство на фиг. 1 содержит телевизионную камеру 1, компьютер 2 оператора в качестве сервера, роутер (российское название прибора - маршрутизатор) в позиции 3, компьютер 4 локального пользователя для работы в локальной сети, модем 5 для передачи видеосигнала в сеть Интернет и компьютер 6 удаленного пользователя для получения видеоинформации из «облака» Интернета. На фиг. 1 позиция 7 присвоена объекту контроля.

Телевизионная камера 1 (см. фиг. 1) состоит из последовательно расположенных и оптически связанных объектива 1-1 и «кольцевого» фотоприемника 1-2. Выход цифрового телевизионного сигнала, формируемого в сенсоре 1-2, является и выходом телевизионной камеры 1.

На материнской плате компьютера 2 оператора установлена плата видео, выполняющая программным путем запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера в автоматическом режиме; электрическое вписывание изображения «кольцевого» кадра из оперативной памяти в прямоугольный растр компьютерного монитора в режиме 1 работы программы; считывание «кольцевого» кадра из оперативной памяти при помощи m «прямоугольных» кадров, число которых удовлетворяет соотношению (3) в режиме 2 этой программы.

«Кольцевой» фотоприемник 1-2 (см. фиг. 2) выполнен по технологии КМОП и содержит на общем кристалле «кольцевую» мишень 1-2-1 сенсора, «кольцевой» регистр 1-2-2 кадровой развертки, «кольцевой» коммутатор 1-2-3 видеосигналов и «кольцевой» мультиплексор 1-2-4.

Как показано на фиг. 2, активные пикселы на мишени сенсора объединены в столбцы, которые расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца.

Каждый активный пиксел мишени (см. фиг. 3) имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 1-2-1-1, усилитель 1-2-1-2 с коэффициентом усиления K_m для каждой текущей «кольцевой» строки сенсора и АЦП 1-2-1-3. «Кольцевой» коммутатор 1-2-3 видеосигналов состоит из отдельных коммутаторов 1-2-3-1 видеосигнала, число которых соответствует числу активных пикселов в строке, объединенных «кольцевой» шиной видео 1-2-3-2.

Отметим, что показанная на фиг. 2 форма светочувствительной площади пиксела в виде прямоугольника, а на фиг. 3 - латинской буквы L - являются условными. На практике электроды зарядового накопления активных пикселов мишени сенсора, совпадающие с площадью их светочувствительной площади, могут быть выполнены совершенно иначе, например, с геометрической формой в виде части кругового кольца.

Управление АЦП 1-2-1-3 пиксела для каждой «кольцевой» строки фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 1-2-1-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода «кольцевого» регистра 1-2-2 кадровой развертки.

Видеосигнал с выхода каждого АЦП 1-2-1-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого «радиального» столбца передается на «радиальную» шину видео 1-2-1-5. Далее при помощи «своего» ключевого МОП-транзистора коммутатора 1-2-3-1, управляемого с одного из выходов мультиплексора 1-2-4, цифровой видеосигнал текущего пиксела передается на «кольцевую» шину видео 1-2-3-2, а затем транслируется по ней на выход сенсора.

То же самое формирование цифрового видеосигнала происходит и в пределах других радиально расположенных столбцов «кольцевой» мишени 1-2-1 предлагаемого сенсора.

Отметим, что на фиг. 2 пунктирные стрелки показывают управление «кольцевыми» строчными шинами 1-2-1-4 фотоприемника со стороны «кольцевого» регистра 1-2-2 кадровой развертки. То, что здесь, как и на фиг. 3, изображены лишь четыре строчные шины является условностью чертежа. Как упоминалось ранее, число шин 1-2-1-4 соответствует показателю действительного числа «кольцевых» строк в заявляемом сенсоре.

Поясним дополнительно на фиг. 2 и другое. Стрелки с непрерывными линиями отмечают передачу сигнала изображения в сенсоре по «радиальным» шинам видео 1-2-1-5 в направлении к «кольцевому» коммутатору 1-2-3 видеосигналов.

В результате в «кольцевом» растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой «кольцевой» строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала нового сенсора.

Благодаря принятой для изготовления предлагаемого сенсора технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник с АЦП для каждого активного пиксела, но и блоки цифровой развертки телевизионной камеры, которые могут быть реализованы с существенным понижением их энергопотребления.

Необходимо признать, что концепция матричного (прямоугольного) фотоприемника с активным пикселом, встроенным в него АЦП и цифровым видеосигналом на выходе, который предполагалось выполнить по технологии КМОП путем реализации метода «координатная адресация», была разработана американскими специалистами в «нулевые» двухтысячные годы. Об этом сообщалось и в отечественной монографии [3, с. 67, рис. 1.21]. Однако схемотехническая организация на кристалле КМОП «кольцевого» сенсора с аналогичными возможностями не предлагалась.

Следует отметить, что в компьютерной программе по реализации электрического вписывания «кольцевого» кадра в «прямоугольный» растр монитора должно быть реализовано соблюдение последовательности передачи телевизионных строк.

При условии размещения вписываемого кадра в центральной части экрана монитора выполнение этой задачи представлено на фиг. 5.

Продемонстрируем заложенный в эту программы алгоритм, используя растровое положение точечных изображений от двух элементов (пикселов) «А» и «В» для «кольцевого» фотоприемника 1-2.

Пиксел «А», отмеченный на фиг. 2, является первым в первой «кольцевой» строке сенсора, а пиксел «В» расположен точно посередине этой строки.

Тогда в «прямоугольном» растре компьютерного монитора (см. фиг. 5) изображение от пиксела «А» будет занимать положение центрального элемента его первой строки, а изображение от пиксела «В» - положение центрального элемента его последней строки.

Заявляемый способ формирования видеосигнала осуществляется следующим образом.

Воспользуемся структурной схемой устройства, изображенной на фиг. 1, где фотоприемником телевизионной камеры 1 является «кольцевой» сенсор в соответствии с фиг. 2, 3, а объектом контроля 7 - отдельно взятое зубчатое колесо, представленное на фиг. 4.

Предполагается, что установку контролируемого зубчатого колеса на рабочем месте выполняет оператор компьютера 2.

На выходе «видео» фотоприемника 1-2, а, следовательно, и на выходе телевизионной камеры 1 формируется цифровой телевизионный сигнал (ЦТС).

Далее ЦТС по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на вход «видео» компьютера 2 оператора, где выполняется в автоматическом режиме запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера.

Благодаря этому видеоинформация становится доступной и другим компьютерам в интерактивном режиме.

При установке оператором компьютера 2 режима 1 работы компьютерной программы на экране монитора будет наблюдаться изображение контролируемого зубчатого колеса полностью.

При необходимости оператор, перейдя в режим 2 работы, может наблюдать отдельные участки объекта контроля.

Предположим, что величина захватываемого углового пространства в градусах для участка зубчатого колеса (γ) составляет 60°, как показано на фиг. 6. Тогда число «прямоугольных» кадров (m), полученных в результате конвертирования одного «кольцевого» кадра составляет 6 (шесть). Эта величина является и показателем кратности увеличения масштаба изображения для участка зубчатого колеса по отношению к его полному изображению. Отметим, что все операции в режиме 2 работы являются аналогичными тем, которые были предложены ранее в изобретении [4] для наблюдения панорамного изображения.

Благодаря использованию в данной системе роутера 3, информация, хранящаяся на сервере 2, становится доступной и любому другому пользователю компьютера в локальной сети, например компьютеру 4.

Модем 5 позволяет предоставить видеоинформацию и по сети Интернет, т.е. она может поступить на компьютер удаленного пользователя, например на компьютер 6.

В настоящее время все блоки устройства, реализующего заявляемый способ формирования видеосигнала в телевизионно-компьютерной системе для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца, освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Политехнический словарь. Главный редактор И.И. Артоболевский. М.: «Советская энциклопедия», 1977.

2. Патент РФ №2671229. МПК H04N 7/00. Способ формирования видеосигнала в телевизионно-компьютерной системе для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца. / В.М. Смелков // Б.И. - 2018. - №31.

3. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К. и Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле. Под ред. А.А. Умбиталиева и А.К. Цыцулина. - М.: «Радио и связь», 2006.

4. Патент РФ №2625163. МПК H04N 7/00. Телевизионная камера и ее «кольцевой» фотоприемник для компьютерной системы панорамного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2017. - №20.

Изобретение относится к телевизионно-компьютерной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца, таких, например, как диски, колеса, фрезы. Техническим результатом является повышение степени интеграции устройства формирования видеосигнала посредством применения «кольцевых» телевизионных сенсоров по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП). Результат достигается тем, что мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K, а также встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки сенсора, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, причем коэффициент усиления Km активного пиксела изменяется для каждой текущей «кольцевой» строки сенсора. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ формирования видеосигнала в телевизионно-компьютерной системе для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца, заключающийся в том, что в телевизионной камере оптическое изображение контролируемого объекта проецируют на мишень «кольцевого» фотоприемника, которая содержит линейки светочувствительных пикселов, расположенные вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, причем число светочувствительных пикселов в каждой «кольцевой» строке мишени одинаково, а их площадь от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии сенсора, формируют на выходе «видео» телевизионной камеры цифровой телевизионный сигнал, который транслируют на вход «видео» компьютера, при этом в компьютере для реализации возможности контроля объекта целиком (полностью) выполняют электрическое вписывание изображения «кольцевого» кадра в прямоугольный растр компьютерного монитора, а для реализации возможности контроля отдельных участков этого объекта «кольцевой» кадр считывают из оперативной памяти компьютера при помощи m «прямоугольных» кадров, число которых удовлетворяет соотношению

где γ - величина захватываемого углового пространства в градусах для участка объекта контроля, причем величина m является одновременно и показателем кратности увеличения масштаба изображения для участка объекта контроля по отношению к его полному изображению, отличающийся тем, что сенсор выполняют на кристалле, изготовленном по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП), причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K, а также встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки сенсора, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество «радиальных» шин видео - число пикселов в каждой строке сенсора, при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно «кольцевой» регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор «кольцевой» строки, «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого «радиального» столбца, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора строчной развертки, и обеспечивают передачу видеосигнала на выходе каждой «радиальной» шины видео на «кольцевую» шину видео, выход которой является выходом «видео» фотоприемника и одновременно выходом «видео» телевизионной камеры, причем коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки сенсора изменяется по соотношению

где Δ₁ и Δ_m - соответственно светочувствительная площадь активного пиксела для первой и текущей «кольцевой» строки считывания в «кольцевом» сенсоре, обеспечивая одинаковую величину считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения.

2. Способ формирования видеосигнала по п. 1, отличающийся тем, что электроды зарядового накопления активных пикселов мишени сенсора, совпадающие с площадью их светочувствительной площади, выполнены с геометрической формой в виде части кругового кольца.