Телевизионная система с селективным масштабированием изображения (варианты) Российский патент 2021 года по МПК H04N5/238 

Предлагаемая группа изобретений относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в системах наблюдения, которые выполнены с использованием матричных фотоприемников, изготовленных по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП) и компьютеров. В такой системе на экране компьютерного монитора воспроизводится комбинированное изображение, которое по отношению к первоначально предъявляемому изображению состоит из увеличенного участка и остальной части с неизменным масштабом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемым изобретениям, как по варианту 1, так и по варианту 2, следует считать телевизионную систему с селективным масштабированием изображения [1], которая содержит на передающей стороне телевизионную камеру (телекамеру), состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя, двух датчиков телевизионного сигнала (ДТС), изготовленных по технологии матричных приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС), а также блока наведения, селектора синхроимпульсов, блока задержки, формирователя сигнала синхронизации и формирователя сигнала рамки, при этом светоделитель телекамеры содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива, а второй выход - со вторым выходом полупрозрачного зеркала, причем первый выход светоделителя является «выходом нормального оптического изображения» (изображения общего -вида) и оптически связан с фотомишенью первого датчика телевизионного сигнала (первого ДТС), а второй выход светоделителя является «выходом увеличенного оптического изображения» (изображения увеличенного фрагмента) и оптически связан с фотомишенью второго ДТС; блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования второго ДТС, и состоящий из первого привода, кинематически связанного с первым датчиком положения, и второго привода, кинематически связанного со вторым датчиком положения, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения; первый ДТС телекамеры выполнен на основе матрицы ПЗС с организацией «строчно-кадровый перенос», а второй ДТС - на основе матрицы ПЗС с организацией «строчный перенос», при этом в секции памяти матрицы ПЗС первого ДТС обеспечивается суммирования зарядовых пакетов, сформированных в фотоприемной секции; вход строчной синхронизации формирователя сигнала рамки объединен с первым входом блока задержки и подключен к первому выходу селектора синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя сигнала рамки объединен со вторым входом блока задержки и подключен ко второму выходу селектора синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС, вход «синхро» второго ДТС подключен к выходу формирователя сигнала синхронизации, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам блока задержки, первый выход блока наведения подключен к первому управляющему входу формирователя сигнала рамки, а второй выход блока наведения - ко второму управляющему входу формирователя сигнала рамки, причем выход первого ДТС является выходом «видео 1» телекамеры, выход второго ДТС - выходом «видео 2» телекамеры, а выход формирователя сигнала рамки - выходом «рамка» телекамеры, на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи многожильного кабеля, по двум из которых выполняется соединение выхода сигналов для команд наведения «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз» на компьютере с входами этих сигналов в телекамере, а по трем другим жилам кабеля линии связи выполняется соединение выходов сигналов «видео 1», «видео 2» и «рамка» телекамеры с соответствующими входами на компьютере; в разъем расширения на материнской плате компьютера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера и предназначенная для преобразования первого и второго входных аналоговых видеосигналов в цифровую форму при организации синхронизации каждого из них раздельно по входному сигналу синхронизации приемника (ССП), ввода цифрового видеосигнала «видео 1» в оперативную память с периодом nТ_к и вывода из нее с периодом Т_к, где Т_к - длительность кадра, n - число суммируемых кадров, ввода/вывода цифрового видеосигнала «видео 2» с периодом Т_к, выполнения микширования выходного цифрового видеосигнала «видео 1» с сигналом «рамка», формирования по сигналу «рамка» сигнала «окошко» и выполнения коммутации видеосигналов «видео 1» и «видео 2» по сигналу «окошко», причем выход комбинированного видеосигнала платы видео является выходом сигнала изображения телевизионной системы.

Отметим, что в секции памяти первого ДТС телекамеры прототипа [1] реализуется суммирование n зарядовых пакетов (для каждого накопленного кадра), что обеспечивает компенсацию оптических потерь светоделителя, вызывающих снижение в β раз освещенности на первом его выходе по отношению к освещенности на его втором выходе.

Для прототипа [1] предполагается, что положение «окошка» в растре комбинированного изображения может быть выбрано на любом его участке при помощи блока задержки.

Обозначим основные параметры для оптических элементов светоделителя и произведем расчет возникающих оптических потерь.

Итак, имеем следующие показатели:

D/f - относительное отверстие дополнительного объектива телекамеры (объектива светоделителя);

τ₁ - коэффициент пропускания объектива светоделителя;

τ₂ - коэффициент пропускания коллективной линзы светоделителя.

Тогда величина коэффициента оптических потерь светоделителя β, измеряемая в прототипе [1] как отношение освещенности сцены на его втором выходе к освещенности на его первом выходе, может быть определена по формуле:

На практике величина коэффициента β может достигать значения одного порядка (10 раз).

Однако необходимо признать, что принятый в прототипе [1] метод компенсации оптических потерь светоделения ограничивает его применение в телекамере системы наблюдением лишь статичных и малоподвижных объектов, т.к. при контроле динамических сюжетов для фотоприемника первого ДТС неизбежно возникают потери в разрешающей способности изображения по времени.

Здесь следует отметить, что термин «разрешающая способность по времени», как и термин «разрешающая способность по полю кадра», предложил создатель электроннолучевого телевидения В.К. Зворыкин более полувека назад. Его мысль о том, что только учет конечных значений разрешающей способности по полю кадра и по времени делают электронное телевидение реализуемым, была воспроизведена в известной монографии отечественных специалистов из НИИ телевидения [2, с. 34].

Этот постулат Зворыкина можно проиллюстрировать на примере прототипа [1]. Если априори время перемещения объекта по полю кадра меньше суммарного времени накопления фотоприемника в телекамере, то в ее выходном видеосигнале неизбежно возникают специфические искажения, оцениваемые как потери в четкости телевизионного изображения, т.е. как потери параметра разрешающей способности по времени.

И эти потери тем больше, чем более динамичным (подвижным) является сам объект контроля.

Задачей изобретения является снижение потерь в разрешающей способности по времени первого ДТС путем использования в качестве его сенсора, а также сенсора второго ДТС фотоприемных матриц КМОП, устанавливая для их мишеней необходимое соотношение коэффициентов усиления светочувствительных элементов.

При выполнении этой задачи здесь одновременно принимается компромиссное условие по выводу увеличенного видеосигнала «окошка», а именно: оно всегда располагается в центральной зоне комбинированного изображения, что позволяет упростить структурную схему телекамеры системы, исключив из ее состава блок задержки и формирователь сигнала синхронизации.

Реализация этого условия достигается режимом принудительной синхронизации второго ДТС от первого ДТС по его сигналу синхронизации приемника (ССП), а это означает, что их растры всегда совпадают.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телевизионную систему по варианту 1, которая содержит на передающей стороне телекамеру, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя, двух ДТС, блока наведения, селектора синхроимпульсов и формирователя сигнала рамки, при этом светоделитель телекамеры содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива, а второй выход - со вторым выходом полупрозрачного зеркала, причем первый выход светоделителя является «выходом нормального оптического изображения» и оптически связан с фотомишенью первого ДТС, а второй выход светоделителя является «выходом увеличенного оптического изображения» и оптически связан с фотомишенью второго ДТС; блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования второго ДТС, и состоящий из первого привода, кинематически связанного с первым датчиком положения, и второго привода, кинематически связанного со вторым датчиком положения, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения; вход строчной синхронизации формирователя сигнала рамки подключен к первому выходу селектора синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя сигнала рамки подключен ко второму выходу селектора синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС, первый выход блока наведения подключен к первому управляющему входу формирователя сигнала рамки, а второй выход блока наведения - ко второму управляющему входу формирователя сигнала рамки, причем выход первого ДТС является выходом «видео 1» телекамеры, выход второго ДТС - выходом «видео 2» телекамеры, а выход формирователя сигнала рамки - выходом «рамка» телекамеры, на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи многожильного кабеля, по двум из которых выполняется соединение выхода сигналов для команд наведения «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз» на компьютере с входами этих сигналов в телекамере, а по трем другим жилам кабеля линии связи выполняется соединение выходов сигналов «видео 1», «видео 2» и «рамка» телекамеры с соответствующими входами на компьютере; в разъем расширения на материнской плате компьютера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера и предназначенная для преобразования первого и второго входных аналоговых видеосигналов («видео 1» и «видео 2» соответственно) в цифровую форму; ввода/вывода цифровых видеосигналов «видео 1» и «видео 2» в оперативную память компьютера; выполнения микширования выходного цифрового видеосигнала «видео 1» с сигналом «рамка», формирования по сигналу «рамка» сигнала «окошко» и выполнения коммутации видеосигналов «видео 1» и «видео 2» по сигналу «окошко», причем выход комбинированного видеосигнала платы видео является выходом сигнала изображения телевизионной системы, при этом по сравнению с прототипом [1], в телекамере системы первый и второй ДТС соответственно выполнены согласно работе [2, с. 64, рис. 1.18] на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет коэффициент усиления K₁, а также транзисторный МОП-ключ, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в активные столбцы, каждый из которых имеет дополнительно усилитель видеосигнала с коэффициентом усиления K₂, причем управление МОП-ключами активных пикселов, расположенных по горизонтали, осуществляется при помощи отдельно взятой горизонтальной (строчной) шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество шин видео - число элементов (пикселов) в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещается его электронное «обрамление - блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения видеосигнала, а именно: регистр вертикальной (кадровой) развертки, осуществляющий выбор строки; ключевые МОП-транзисторы для каждого активного столбца, обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе его усилителя на соответствующий вход мультиплексора горизонтальной (строчной) развертки, который выполняет подключение видеосигнала с каждого активного пиксела на вход выходного усилителя с коэффициентом усиления K₃, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора, причем для компенсации оптических потерь светоделения величина коэффициента усиления K₁ первого ДТС в β раз превышает величину коэффициента усиления K₁ второго ДТС, где величина коэффициента β вычисляется по формуле (1), а вход «синхро» второго ДТС подключен к третьему выходу селектора синхроимпульсов.

Поставленная задача решается и тем, что в заявляемую телевизионную систему по варианту 2, которая содержит на передающей стороне телекамеру, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя, двух ДТС, блока наведения, селектора синхроимпульсов и формирователя сигнала рамки, при этом светоделитель телекамеры содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива, а второй выход - со вторым выходом полупрозрачного зеркала, причем первый выход светоделителя является «выходом нормального оптического изображения» и оптически связан с фотомишенью первого ДТС, а второй выход светоделителя является «выходом увеличенного оптического изображения» и оптически связан с фотомишенью второго ДТС; блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования второго ДТС, и состоящий из первого привода, кинематически связанного с первым датчиком положения, и второго привода, кинематически связанного со вторым датчиком положения, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения; вход строчной синхронизации формирователя сигнала рамки подключен к первому выходу селектора синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя сигнала рамки подключен ко второму выходу селектора синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС, первый выход блока наведения подключен к первому управляющему входу формирователя сигнала рамки, а второй выход блока наведения - ко второму управляющему входу формирователя сигнала рамки, причем выход первого ДТС является выходом «видео 1» телекамеры, выход второго ДТС - выходом «видео 2» телекамеры, а выход формирователя сигнала рамки - выходом «рамка» телекамеры, на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи многожильного кабеля, по двум из которых выполняется соединение выхода сигналов для команд наведения «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз» на компьютере с входами этих сигналов в телекамере, а по трем другим жилам кабеля линии связи выполняется соединение выходов сигналов «видео 1», «видео 2» и «рамка» телекамеры с соответствующими входами на компьютере; в разъем расширения на материнской плате компьютера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера и предназначенная ввода/вывода цифровых видеосигналов «видео 1» и «видео 2» в оперативную память компьютера; выполнения микширования выходного цифрового видеосигнала «видео 1» с сигналом «рамка», формирования сигнала «окошко» и выполнения коммутации видеосигналов «видео 1» и «видео 2» по сигналу «окошко», причем выход комбинированного видеосигнала платы видео является выходом сигнала изображения телевизионной системы, при этом по сравнению с прототипом [1], в телекамере системы первый и второй ДТС соответственно выполнены согласно работе [2, с. 67, рис. 1.21] на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления К и встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на вертикальную шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в вертикальные столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой строки, осуществляется при помощи отдельно взятой строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество вертикальных 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: регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор строки; коммутаторы видеосигнала для каждого столбца, управляемые с соответствующего выхода мультиплексора строчной развертки, и обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе каждой шины видео столбца на шину видео строки, выход которой является выходом «Видео» фотоприемника, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора, причем для компенсации оптических потерь светоделения величина коэффициента усиления K активного пиксела первого ДТС в β раз превышает величину коэффициента усиления K активного пиксела второго ДТС, где величина коэффициента β вычисляется по формуле (1), а вход «синхро» второго ДТС подключен к третьему выходу селектора синхроимпульсов.

Сопоставительный анализ показывает, что оба варианта заявляемой телевизионной системы отличаются от прототипа [1] реализацией в качестве фотоприемников первого и второго ДТС телекамеры матричных приборов, изготовленных по технологии однокристальной КМОП. Но, если для первого варианта матрица КМОП формирует на выходе аналоговый видеосигнал, то для второго варианта каждый пиксел мишени является активным, т.к. он имеет встроенный АЦП сигнала изображения, благодаря которому видеосигнал на выходе фотоприемника является уже цифровым.

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

В заявляемом решении, по сравнению с прототипом [1], видеосигнал телекамеры, формирующий изображение общего вида, имеет неоспоримый выигрыш в отношении сигнал/шум для динамичных сюжетов контроля за счет снижения потерь в разрешающей способности изображения по времени.

По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 изображена структурная схема заявляемой телевизионной системы с селективным масштабированием изображения, которая является обобщением, т.е. она распространяется на оба варианта выполнения системы; на фиг. 2а - схемотехническая организация фотоприемников телекамеры для первого варианта телевизионной системы; на фиг. 2б - схемотехническая организация фотоприемников телекамеры для второго варианта телевизионной системы; на фиг. 3 - возможная электрическая схема реализации блока наведения в составе телекамеры; на фиг. 4 приведены изображения электронной рамки на фоне изображения общего вида в процессе юстировки телекамеры; на фиг. 5 представлены в качестве возможных примеров изображения, формируемые предлагаемой телевизионной системой.

Телевизионная система с селективным масштабированием изображения (см. фиг. 1) содержит на передающей стороне телекамеру в позиции 1, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива 1-1, светоделителя 1-2 и двух ДТС 1-3 и 1-4, при этом светоделитель содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало 1-2-1, коллективную линзу 1-2-2, отражающее зеркало 1-2-3 и дополнительный объектив 1-2-4, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала 1-2-1, первый выход светоделителя - с выходом объектива 1-2-4, а второй выход светоделителя - со вторым выходом полупрозрачного зеркала 1-2-1, при этом первый выход светоделителя 1-2 телекамеры является выходом изображения общего вида и оптически связан с фотомишенью первого ДТС 1-3, а второй выход светоделителя 1-2 - выходом изображения увеличенного фрагмента и оптически связан с фотомишенью второго ДТС 1-4; в состав телекамеры также входят блок 1-5 наведения, селектор 1-6 синхроимпульсов и формирователь 1-7 сигнала рамки, причем блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования ДТС 1-4 и состоящий из первого электропривода 1-5-1 (электропривода по горизонтали), кинематически связанного с первым датчиком положения 1-5-2, и второго электропривода 1-5-3 (электропривода по вертикали), кинематически связанного со вторым датчиком положения 1-5-4, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения, выход ДТС 1-3 подключен к входу селектора 1-6 синхроимпульсов, вход строчной синхронизации формирователя 1-7 сигнала рамки подключен к первому выходу селектора 1-6 синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя 1-7 сигнала рамки подключен ко второму выходу селектора 1-6 синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС 1-3, вход «синхро» второго ДТС 1-4 подключен к третьему выходу селектора 1-6 синхроимпульсов; первый выход блока 1-5 наведения подключен к первому управляющему входу формирователя 1-9 сигнала рамки, а второй выход блока наведения 1-5 - ко второму управляющему входу формирователя 1-7 сигнала рамки, причем выход первого ДТС 1-3 является выходом «видео 1» телекамеры, выход второго ДТС 1-4 - выходом «видео 2» телекамеры, а выход формирователя 7 сигнала рамки - выходом «рамка» телекамеры; на приемной стороне телевизионной системы расположен компьютер в позиции 3, причем на материнской плате компьютера в разъем расширения установлена плата видео, а между приемной и передающей сторонами проложена линия связи в позиции 2, состоящая из пяти жил кабеля и обеспечивающая соединение выходов сигналов «видео 1», «видео 2» и «рамка» телекамеры с соответствующими входами на компьютере, а также выхода сигналов для команд наведения «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз» на компьютере с входами этих сигналов на электроприводы 1-5-1 и 1-5-3 в телекамере соответственно.

Схемотехническая организация фотоприемника для первого и второго ДТС телекамеры при реализации первого варианта телевизионной системы представлена на фиг. 2а.

Сенсор выполнен по технологии КМОП и содержит на общем кристалле фотоприемную область (мишень) в позиции 4, регистр кадровой развертки в позиции 5 и мультиплексор строчной развертки в позиции 6.

Каждый активный пиксел мишени, см. фиг. 2а, имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 4-1, усилитель 4-2 с коэффициентом усиления K₁ и МОП-ключ (ключевой МОП-транзистор в позиции 4-3.

Управление ключевого МОП-транзистора 4-3 пиксела для каждой строки фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 4-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода регистра 5 кадровой развертки.

Видеосигнал с выхода каждого ключевого МОП-транзистора 4-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого активного столбца передается шину видео 4-5, а затем - на вход усилителя столбца 4-6 с коэффициентом усиления К₂. Далее с выхода усилителя 4-6 при помощи ключевого МОП-транзистора 4-7, управляемого с одного из выходов мультиплексора 6, видеосигнал транслируется на вход выходного усилителя 4-8 с коэффициентом усиления K₃ для получения необходимого уровня аналогового видеосигнала текущего пиксела данного активного столбца на выходе сенсора. Заметим, что выходной усилитель 4-8 - не принадлежность этого отдельно взятого активного столбца, а является общим элементом для всех активных столбцов прибора.

То же самое формирование видеосигнала происходит и в пределах других активных столбцов мишени 4 данного сенсора.

В результате на выходе усилителя 4-8 в прямоугольном растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала фотоприемника.

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

Схемотехническая организация фотоприемника для первого и второго ДТС телекамеры при реализации второго варианта телевизионной системы представлена на фиг. 2б.

Сенсор выполнен по технологии КМОП и содержит на общем кристалле фотоприемную область (мишень) в позиции 7, регистр кадровой развертки в позиции 8, коммутатор видеосигналов в позиции 9 и мультиплексор строчной развертки в позиции 10.

Как показано на фиг. 2б, активные пикселы на мишени сенсора объединены в столбцы вертикальной шиной видео 7-5.

Каждый активный пиксел мишени имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 7-1, усилитель 7-2 с коэффициентом усиления K₁ и АЦП 7-3. Коммутатор видеосигналов 9 состоит из отдельных коммутаторов 9-1, число которых соответствует числу активных пикселов в строке, объединенных горизонтальной шиной видео 7-6.

Управление АЦП 7-3 пиксела для каждой строки фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 7-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода регистра 8 кадровой развертки.

Видеосигнал с выхода каждого АЦП 7-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого столбца передается на горизонтальную шину видео 7-6. Далее при помощи ключевого МОП-транзистора коммутатора 9-1, управляемого с одного из выходов мультиплексора 10, цифровой видеосигнал текущего пиксела передается на горизонтальную шину видео 7-6, а затем транслируется по ней на выход сенсора.

То же самое формирование цифрового видеосигнала происходит и в пределах других столбцов мишени 7 данного сенсора.

В результате на выходе видео в прямоугольном растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала фотоприемника.

Благодаря принятой для изготовления сенсора технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник с АЦП для каждого активного пиксела, но и необходимые блоки цифровой развертки. Очевидно, что этот сенсор в техническом плане совершеннее предыдущего сенсора, но он сложнее в производстве, а поэтому его цена будет существенно выше.

Входной объектив 1-1, светоделитель 1-2, блок 1-5 наведения и формирователь 1-7 сигнала рамки телекамеры по назначению и схемотехническому исполнению ничем не отличаются от соответствующих блоков прототипа [1]. Селектор 1-6 синхроимпульсов, по отношению к прототипу [1], снабжен дополнительно выходом сигнала синхронизации приемника (ССП) - на его третьем выходе.

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

Предположим, что формат мишени сенсоров обоих ДТС, как для первого, так и для второго варианта выполнения заявляемой телевизионной системы, составляет, как и в прототипе [1], 1/3 дюйма (4,8 × 3,6) мм. Размер кадра для объектива «Зенитар-М 2,8/16» составляет 24×36 мм. Поэтому кратность масштабирования K_м оптического изображения, формируемого на втором выходе светоделителя, равна отношению:

Блок 1-5 наведения предназначен для осуществления пространственного позиционирования ДТС 1-4. Электрическая схема блока 1-5 может быть реализована на базе технического решения «Применение оптрона HSSR-7111 для управления реверсом электродвигателя», опубликованного в Интернете на сайте [3].

Изделие HSSR-7111 - однополюсный нормально разомкнутый оптрон с выходным каскадом на МОП-транзисторах, а работает в точности как полупроводниковое реле.

Рассмотрим работу блока 1-5 наведения (см. фиг. 3), схема которого выполнена на четырех оптронах HSSR, обозначенных как VT1…VT4.

Будем считать, что управление наведением осуществляется командами в соответствии с табл. 1, которые являются напряжениями положительной или отрицательной полярности относительно провода «общий».

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

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

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

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

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

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

Юстировка блока 1-5 наведения должна обеспечивать при всех выставляемых положениях движков потенциометров RP_x и RP_y такое положение ДТС 1-4 относительно второго выхода светоделителя 1-2, чтобы геометрический центр его фотомишени совпадал с геометрическим центром проецируемого изображения.

Юстировка обеспечивается за счет высокого класса точности изготовления всех механических элементов электроприводов 1-5-1 и 1-5-3, а также путем использования подборочных резисторов R_x* и R_y* и применения потенциометров RP_x и RP_y с линейной зависимостью изменения сопротивления от угла поворота.

После завершения юстировки изображения электронной рамки на фоне изображения общего вида (см. фиг. 4) должны соответствовать положениям движков потенциометров RP_x и RP_y, приведенным в табл. 2.

Компьютер 3 предназначен для выполнения следующих операций:

преобразования первого («видео 1») и второго («видео 2») входных аналоговых сигналов изображения в соответствующие цифровые видеосигналы (только для варианта 1 системы);

ввода/вывода цифровых видеосигналов «видео 1» и «видео 2»

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

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

формирования по сигналу «рамка» сигнала «окошко»;

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

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

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

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

Очевидно, что подача команд управления может осуществляться с клавиатуры компьютера и/или помощи компьютерной мыши.

Отметим, что команда «Выбор режима видео» распространяется в пределах компьютера, а поэтому является командой внутреннего пользования. Команда «Управление наведением» - внешняя команда, т.к. она предназначена для управления работой телекамеры.

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

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

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

«Комбинированное изображение» (режим 2).

Независимо от режима работы телевизионной системы, как и в прототипе, входное оптическое изображение по оптическому пути: входной объектив 1-1, полупрозрачное зеркало 1-2-1, коллективная линза 1-2-2, отражающее зеркало 1-2-3, дополнительный объектив 1-2-4 проецируется на фотомишень первого ДТС 1-3.

Одновременно увеличенный (в соответствии с кратностью масштабирования K_м светоделителя 1-2) фрагмент этого изображения, границы которого определяются электронной рамкой, по другому оптическому пути: входной объектив 1-1, полупрозрачное зеркало 1-2-1 проецируется на фотомишень второго ДТС 1-4.

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

В результате фотоэлектрического преобразования оптическое изображение каждого из ДТС преобразуется далее в соответствующие композитные видеосигналы. Применительно для варианта 1 телевизионной системы это аналоговая форма композитных видеосигналов, а применительно для варианта 2 - цифровая форма видеосигналов.

Селектор 1-6 синхроимпульсов выделяет из композитного видеосигнала «видео 1» строчные и кадровые синхроимпульсы, а также сигнал синхронизации приемника (ССП).

Формирователь 1-7 сигнала рамки вырабатывает на выходе сигнал прямоугольной рамки с форматом (а×b).

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

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

Далее цифровые видеосигналы «видео 1» и «видео 2», как для первого, так и для второго варианта выполнения телевизионной системы, записывается в оперативную память компьютера 3.

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

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

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

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

Качество этого изображения для наблюдаемых динамичных сюжетов будет заведомо выше, чем у прототипа [1], благодаря применению в качестве фотоприемников для первого и второго ДТС телекамеры матриц КМОП с необходимым соотношением показателей коэффициентов усиления зарядового изображения.

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

На фиг. 5 демонстрируется практическое использование предлагаемой системы для организации телевизионного наблюдения на автомобильной стоянке. На фиг. 5а показано изображение, формируемое в режиме 1, а на фиг. 5б - в режиме 2, где отчетливо виден номер автомобиля в «окошке», расположенном в центральной зоне комбинированного изображения.

В качестве иллюстрации на фиг. 5в показано, что зоной повышенного интереса оператора является стоящий справа человек. Лицо этого человека выводится в комбинированном изображении на фиг. 5г в пределах «окошка», находящегося также в центральной зоне комбинированного изображения. Следует добавить, что для такого сюжета установлен и другой формат самого «окошка».

Световая чувствительность телекамеры для изображения общего вида увеличена в необходимое число (в β раз), а поэтому ее реальная величина не уступает аналогичному показателю для увеличенного по масштабу изображения.

Благодаря принципиально достигаемому в заявляемой системе результату по снижению потерь разрешающей способности по времени, высокое качество телевизионного изображения номера (см. фиг. 5б) будет сохраняться и при возобновлении движения автомобиля.

В настоящее время все блоки заявляемого решения для двух вариантов телевизионной системы с селективным масштабированием изображения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемую группу изобретений соответствующей требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент 2504099 РФ. МПК H04N 5/00. Телевизионная система с селективным масштабированием. / В.М. Смелков // Б.И. - 2014. - №1.

2. 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.

3. www.avagotech.com

Изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в системах наблюдения. Техническим результатом является снижение потерь в разрешающей способности изображения по времени. Результат достигается путем использования в качестве сенсоров телекамеры фотоприемных матриц КМОП, устанавливая для их мишеней необходимое соотношение коэффициентов усиления светочувствительных элементов. Причем для компенсации оптических потерь светоделения величина коэффициента усиления первого датчика телевизионного сигнала в β раз превышает величину коэффициента усиления второго датчика телевизионного сигнала, где величина коэффициента β вычисляется по формуле

где D/ƒ - относительное отверстие дополнительного объектива телекамеры (объектива светоделителя); τ₁ - коэффициент пропускания объектива светоделителя; τ₂ - коэффициент пропускания коллективной линзы светоделителя, а вход «синхро» второго ДТС подключен к третьему выходу селектора синхроимпульсов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.

1. Телевизионная система с селективным масштабированием изображения, которая содержит на передающей стороне телекамеру, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя, двух датчиков телевизионного сигнала (ДТС), блока наведения, селектора синхроимпульсов и формирователя сигнала рамки, при этом светоделитель телекамеры содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива, а второй выход - со вторым выходом полупрозрачного зеркала, причем первый выход светоделителя является «выходом нормального оптического изображения» и оптически связан с фотомишенью первого ДТС, а второй выход светоделителя является «выходом увеличенного оптического изображения» и оптически связан с фотомишенью второго ДТС; блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования второго ДТС и состоящий из первого привода, кинематически связанного с первым датчиком положения, и второго привода, кинематически связанного со вторым датчиком положения, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения; вход строчной синхронизации формирователя сигнала рамки подключен к первому выходу селектора синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя сигнала рамки подключен ко второму выходу селектора синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС, первый выход блока наведения подключен к первому управляющему входу формирователя сигнала рамки, а второй выход блока наведения - ко второму управляющему входу формирователя сигнала рамки, причем выход первого ДТС является выходом «видео 1» телекамеры, выход второго ДТС - выходом «видео 2» телекамеры, а выход формирователя сигнала рамки - выходом «рамка» телекамеры, на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи многожильного кабеля, по двум из которых выполняется соединение выхода сигналов для команд наведения «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз» на компьютере с входами этих сигналов в телекамере, а по трем другим жилам кабеля линии связи выполняется соединение выходов сигналов «видео 1», «видео 2» и «рамка» телекамеры с соответствующими входами на компьютере; в разъем расширения на материнской плате компьютера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера и предназначенная для преобразования первого и второго входных аналоговых видеосигналов («видео 1» и «видео 2» соответственно) в цифровую форму; ввода/вывода цифровых видеосигналов «видео 1» и «видео 2» в оперативную память компьютера; выполнения микширования выходного цифрового видеосигнала «видео 1» с сигналом «рамка», формирования сигнала «окошко» и выполнения коммутации видеосигналов «видео 1» и «видео 2» по сигналу «окошко», причем выход комбинированного видеосигнала платы видео является выходом сигнала изображения телевизионной системы, отличающаяся тем, что в телекамере системы первый и второй ДТС соответственно выполнены на кристалле сенсора, изготовленном по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП), путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет коэффициент усиления K₁, а также транзисторный МОП-ключ, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в активные столбцы, каждый из которых имеет дополнительно усилитель видеосигнала с коэффициентом усиления K₂, причем управление МОП-ключами активных пикселов, расположенных по горизонтали, осуществляется при помощи отдельно взятой горизонтальной (строчной) шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество шин видео - число элементов (пикселов) в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещается его электронное «обрамление - блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения видеосигнала, а именно: регистр вертикальной (кадровой) развертки, осуществляющий выбор строки; ключевые МОП-транзисторы для каждого активного столбца, обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе его усилителя на соответствующий вход мультиплексора горизонтальной (строчной) развертки, который выполняет подключение видеосигнала с каждого активного пиксела на вход выходного усилителя с коэффициентом усиления K₃, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора, причем для компенсации оптических потерь светоделения величина коэффициента усиления K₁ первого ДТС в β раз превышает величину коэффициента усиления K₁ второго ДТС, где величина коэффициента β вычисляется по формуле (1)

где D/f - относительное отверстие дополнительного объектива телекамеры (объектива светоделителя);

τ₁ - коэффициент пропускания объектива светоделителя;

τ₂ - коэффициент пропускания коллективной линзы светоделителя, а вход «синхро» второго ДТС подключен к третьему выходу селектора синхроимпульсов.

2. Телевизионная система с селективным масштабированием изображения, которая содержит на передающей стороне телекамеру, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя, двух ДТС, блока наведения, селектора синхроимпульсов и формирователя сигнала рамки, при этом светоделитель телекамеры содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива, а второй выход - со вторым выходом полупрозрачного зеркала, причем первый выход светоделителя является «выходом нормального оптического изображения» и оптически связан с фотомишенью первого ДТС, а второй выход светоделителя является «выходом увеличенного оптического изображения» и оптически связан с фотомишенью второго ДТС; блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования второго ДТС и состоящий из первого привода, кинематически связанного с первым датчиком положения, и второго привода, кинематически связанного со вторым датчиком положения, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения; вход строчной синхронизации формирователя сигнала рамки подключен к первому выходу селектора синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя сигнала рамки подключен ко второму выходу селектора синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС, первый выход блока наведения подключен к первому управляющему входу формирователя сигнала рамки, а второй выход блока наведения - ко второму управляющему входу формирователя сигнала рамки, причем выход первого ДТС является выходом «видео 1» телекамеры, выход второго ДТС - выходом «видео 2» телекамеры, а выход формирователя сигнала рамки - выходом «рамка» телекамеры, на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи многожильного кабеля, по двум из которых выполняется соединение выхода сигналов для команд наведения «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз» на компьютере с входами этих сигналов в телекамере, а по трем другим жилам кабеля линии связи выполняется соединение выходов сигналов «видео 1», «видео 2» и «рамка» телекамеры с соответствующими входами на компьютере; в разъем расширения на материнской плате компьютера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера и предназначенная для ввода/вывода цифровых видеосигналов «видео 1» и «видео 2» в оперативную память компьютера; выполнения микширования выходного цифрового видеосигнала «видео 1» с сигналом «рамка», формирования сигнала «окошко» и выполнения коммутации видеосигналов «видео 1» и «видео 2» по сигналу «окошко», причем выход комбинированного видеосигнала платы видео является выходом сигнала изображения телевизионной системы, отличающаяся тем, что в телекамере системы первый и второй ДТС соответственно выполнены на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K и встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на вертикальную шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в вертикальные столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой строки, осуществляется при помощи отдельно взятой строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество вертикальных 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: регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор строки; коммутаторы видеосигнала для каждого столбца, управляемые с соответствующего выхода мультиплексора строчной развертки, и обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе каждой шины видео столбца на шину видео строки, выход которой является выходом «Видео» фотоприемника, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора, причем для компенсации оптических потерь светоделения величина коэффициента усиления К активного пиксела первого ДТС в β раз превышает величину коэффициента усиления К активного пиксела второго ДТС, где величина коэффициента β вычисляется по формуле (1), а вход «синхро» второго ДТС подключен к третьему выходу селектора синхроимпульсов.

3. Телевизионная система с селективным масштабированием изображения по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве входного объектива телекамеры используется широкоугольный объектив, а в компьютере осуществляется коррекция геометрических искажений, вносимых объективом в сигналы изображения «видео 1» и «видео 2».