Способ преобразования оптического изображения в видеосигнал Советский патент 1990 года по МПК H04N5/30 

Изобретение относится к телевидению и может быть использовано при построении прикладных телевизионных камер, предназначенных для преобразования в видеосигнал оптических изображений, наблюдаемых на световом фоне с положительным контрастом, и может быть использовано при построении высокочувствительных телевизионных камер, включающих передающую трубку с докоммутационным усилением, и предназначенных для астрофизических оптико-электронных систем измерения координат и яркости неподвижных и движущихся изображений космических тел (звезд, комет).

Целью изобретения является повышение временной разрешающей способности.

На фиг,I изображена структурная схема устройства для осуществления

способа преобразования оптического изображения в видеосигнал; на фиг.2 - эпюры потенциального рельефа и осциллограммы сигналов, формируемых для случая , на фиг.З - эпюры осциллограмм сигналов для случая , .

Способ преобразования оптического изображения в видеосигнал представляет собой накопление на мишени передающей трубки под действием оптического изображения потенциального рельефа в течение цикла из N кадров (число N может меняться, например от 3 до П), построчное считывание в последнем N-м кадре цикла накопленного рельефа лучом с номинальным током при потенциале на катоде прожектора, равном 0 (потенциал приведения мишени), и чередование в первых N-1 кадрах цикла построчного считывания

СЛ

О ОЭ СЛ

репьефа от светового фонд и темнового тока мишени с построчным частичным считыванием рельефа от объектов средней и большой (рельеф за один кадр достигает насыщения) яркости. Считывание рельефа от фона осуществляют лучом с током, эффективная часть которого пропорциональна считываемому заряду, при отрицательном потенциале на катоде, пониженном до значения, при котором процесс считывания осуществляется на неспадающем участке вторично-эмиссионной характеристики. Частичное же считывание рельефа от объ- ектов осуществляют лучом с номинальным или меньше номинального током при положительном потенциале на катоде, изменяющемся в пределах кадра пропорционально распределению чувствитель- ности передающей трубки к объектам средней яркости.

Чередование построчного считывания рельефа от фона и от объектов осуществляют по кадрам - одиночные кадры считывания рельефа от фона чередуют с группой из М (число М изменяют, например, от 1 до 4) кадров, в которых частично считывают рельеф от объектов средней и большой яркости.

Вариантом чередования считывания рельефа от фона и от объектов в первых N-1 кадрах цикла накопления может быть построчное чередование - частичное считывание рельефа на прямом ходу по строкам в каждом кадре чередуют со считыванием рельефа от фона также в каждом кадре во время обратного хода по строкам. Такой вариант может быть использован в том случае, когда требуется преобразовать оптическое изображение с предельно малым положительным контрастом ценой потери чувствительности к слабоосвещенным объектам.

Устройство для осуществления способа содержит передающую телевизионную трубку 1, например типа суперкрем- никон с фотокатодом 2, ускоряющим электродом 3, мишенью 4, термокатодом 5, модулятором 6, анодом 7 и фокусирующим электродом 8, фокусирующе-отклоня- ющую систему (ФОС) 9, установленную на секции считывания трубки, генератор 10 токов развертки, синхронизируемый строчными синхроимпульсами (ССИ) и кадровыми синхроимпульсами (КСИ) и подключенный к соответствующим выводам ФОС, видеоусилитель 11,

, 0 5

Q

5

подключенный к выводу мишени, блок 12 выделения фоновой составляющей, выполненный в виде сочетания последовательно соединенных схемы восстановления постоянной составляющей, ограничителя сигнала сверху и фильтра нижних частот, высоковольтный преобразователь 13, минусовый выход которого соединен с выводом фотокатода 2, а плюсовой - с выводом ускоряющего электрода 3, выполненный в виде сочетания последовательно соединенных дискриминатора уровня напряжения, электронного ключа, интегратора и собственно преобразователя напряжения, формирователь 14 сигнала компенсации фона, выполненный в виде сочетания входного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), генератора тактовых импульсов (ГТИ), оперативно- запоминаюшего блока, микропроцессора, постоянного программно-запоминающего блока с программой организации записи и выборки значений распределения фоновой составляющей по растру с. последующей их интерполяцией, ЦАП, гамма-корректора с цепью ручной установки степени коррекции и выходного сглаживающего фильтра, формирователь 15 напряжений управления током луча, выполненный в виде параллельно включенных усилителя постоянного тока, подключенного к выходу формирователя 14, и двух управляемых формирователей потенциальных уровней и выходного сумматора напряжений, подключенного к выводу модулятора 6 передающей трубки 1, формирователь 16 уровней считывания, подключенный к термокатоду 5 передающей трубки и выполненный в виде выходного сумматора напряжений и параллельно соединенных стробируемо- го усилителя постоянного тока с цепями регулировки усиления и добавляемого уровня и двух управляемых формирователей потенциальных уровней, на один из которых подаются гасящие импульсы (ГИ), генератор 17 импульсов управления считыванием, первый выход которого подключен к первому входу формирователя 16, а второй выход - к первому входу управления формирователя 15 и стробирующему входу формирователя i6, генератор 18 компенсирующего сигнала с входами синхронизации КСИ и ССИ, выход которого соединен с CHI- нальным входом формирователя 16, генератор 19 импульсов управления на5

блока 12 не станет равным пороговому уровню, установленному в дискриминаторе преобразователя 13. Когда урокоплением, к потенциальному выходу # которого подключен вход q управления электронного ключа преобразователя

13. Генераторы 17 и 19 выполнены в ви- 5 вень сигнала на выходе блока 13 эаста- де сочетания импульсно-счетных схем, на счетные входы которых подаются

билиэируется, в формирователе 14 в оперативно-запоминающий блок записывается матрица (например, 32x32) значений распределения фоновой составляюКСИ, а на входы управления счетом - коды установки числа М (Уст.М) и

билиэируется, в формирователе 14 в оперативно-запоминающий блок записывается матрица (например, 32x32) значений распределения фоновой составляю

числа N (Уст„Ы), которые подаются так-ю видеосигнала по растру, и ТВ ка15665146

блока 12 не станет равным пороговому уровню, установленному в дискриминаторе преобразователя 13. Когда уроия

вень сигнала на выходе блока 13 эаста-

билиэируется, в формирователе 14 в оперативно-запоминающий блок записывается матрица (например, 32x32) значений распределения фоновой составляю

Изобретение относится к телевидению. Цель изобретения - повышение временной разрешающей способности. Предлагаемый способ обеспечивает чередование частичного считывания "сверху" потенциального рельефа от объектов средней и большой яркости со считыванием рельефа от светового фона в первых /N-1/ кадрах цикла накопления рельефа от объекта малой яркости за N кадров. Степень увеличения временной разрешающей способности телевизионной камеры/ соответственно пропускной способности системы/ зависит от распределения числа регистрируемых объектов в световом динамическом диапазоне по их яркости и при равномерном распределении может оцениваться величиной M^.K^.M, где M-глубина частичного считывания рельефа, K-число групп из M кадров в цикле накопления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

же на входы управления микропроцессором формирователя 14. Оптический вход передающей трубки 1 размещается в фокальной плоскости телескопа 20 оптико-электронной системы.

Телевизионная (ТВ) камера (фиг.1) работает следующим образом.

При проецировании оптического изображения участка звездного неба телескопом 20 на оптический вход трубки 1 световой поток непрерывно преобразуется в зарядовый (потенциальный) рельеф,накапливаемый на стороне мише20

мера переходит в режим длительного накопления под действием внешних кодов установки числа кадров накоп ления N и длительности (число М) гру пы кадров частичного считывания рель ефа от объектов.

В режиме длительного накопления (N 1) для случая , (фиг.2) Т камера работает следующим образом. Н мишени 4 непрерывно накапливается потенциальный р-эльеф Up (иа фиг.2а показано его оаспределение по строке (по X) в трех последовательных кадра перед считыванием)„ В 1-м кадре цикл

ни 4, коммутируемой электронным лучом,

генерируемым термокатодом 5 и фор- накопления в генераторе 17 на втором

мируемым модулятором 6, анодом 7, фо- выходе формируется импульс (фиг,2в),

кусирующим электродом 8 и ФОС 9. Построчное, покадровое считывание лучом заряда с мишени 4 обеспечивается

под действием которого на выходе формирователя 16 (на катоде 5) формируется изменяющееся в течение кадра (натором 10. Прерывание считьюания на обратных ходах по кадру и по строке обеспечивается повышением потенциала до 20 В на термокатоде 5 во время

отклоняющими катушками ФОС 9 и генера--30 пример, в пределах от 4 до 6 В) напряжение (уровни В на фиг.2а, е), характер и размах которого устанавливаются заранее при настройке камеры (соответственно в генераторе 18 и усилитедействия на входе формирователя 16 г 35 ле 16 формирователя). На модуляторе гасящих импульсов,6 устанавливается постоянный уровень

Перед переходом в режим длительно- сг например, равный минус 30 В го накопления () устанавливается режим полного (термин условен) считывания рельефа в каждом кадре разложе- 40 ииала термокатода 5, считывание рельефа от точечных объектов большой ( ot) и средней (ft) яркости (заштрихованные участки на фиг.2а) и формирова(фиг.2д). При этом обеспечивается частичное сверху, примерно до потен. ния (). При этом импульсы на выходах генераторов 17 и 19 отсутствуют на термокатоде 5 потенциал равен О (уровень Dном на фиг.2е), на модуляторе - номинальное значение потен- д5 нала (импульсы и ft на фиг.2ж), дос

ние ограниченного снизу видеосигциала, например, равное минус 40 В (уровень С ном на фиг.2д), ключ в преобразователе 13 под действием разрешающего потенциала с генератора 19 открыт. Из усиленного на выходе видеоусилителя 1J видеосигнала в блоке I2 выделяется фоновая составляющая, под действием которой в интеграторе преобразователя 13 и соответственно на фотокатоде 2 изменяется напряжение до. тех пор, пока не установится такое документационное усиление фотоэлектронов в мишени 4, при котором размах фоновой составляющей на выходе

таточного для определения координатf а при необходимости и яркости объектов oi и В . Тем самым достигается повышение временного разрешения (час-50 тоты обновления информации об объектах достаточной яркости). Во втором кадре цикла перед считыванием рельеф от фона ( фиг.2а) в 2 раза больше, чем в первом кадре (накопление у

55 суперкремникона линейно). Под деист- вием импульса (фиг.2г) на первом выходе генератора 17 потенциал на като ,це понижается до значения, например минус 10 В (уровень на .фиг.2е),

мера переходит в режим длительного накопления под действием внешних кодов установки числа кадров накоп ления N и длительности (число М) группы кадров частичного считывания рельефа от объектов.

В режиме длительного накопления (N 1) для случая , (фиг.2) ТВ камера работает следующим образом. На мишени 4 непрерывно накапливается потенциальный р-эльеф Up (иа фиг.2а показано его оаспределение по строке (по X) в трех последовательных кадрах перед считыванием)„ В 1-м кадре цикла

под действием которого на выходе формирователя 16 (на катоде 5) формируется изменяющееся в течение кадра (насг например, равный минус 30 В ииала термокатода 5, считывание рельефа от точечных объектов большой ( ot) и средней (ft) яркости (заштрихованные участки на фиг.2а) и формирова(фиг.2д). При этом обеспечивается частичное сверху, примерно до потеннала (импульсы и ft на фиг.2ж), дос

ние ограниченного снизу видеосигтаточного для определения координатf а при необходимости и яркости объектов oi и В . Тем самым достигается повышение временного разрешения (час-тоты обновления информации об объектах достаточной яркости). Во втором кадре цикла перед считыванием рельеф от фона ( фиг.2а) в 2 раза больше, чем в первом кадре (накопление у

суперкремникона линейно). Под деист- вием импульса (фиг.2г) на первом выходе генератора 17 потенциал на като ,це понижается до значения, например минус 10 В (уровень на .фиг.2е),

соответствующего выходу при считывании на неспадающий участок вторично- эмиссионной характеристики, и изменяется напряжение на модуляторе 6 (уро- вень С 4 на фиг.2д) под действием сигнала с формирователя 14, генерируемого с учетом модуляционной характеристики прожектора (электроды 5, 6, 7) трубки 1 (заранее корректируется в формирователе 14 при настройке камеры) и с учетом накопления за два кадра. При этом обеспечивается считывание большей (например, 80%) части зарядного рельефа от фона (заштрихован- ная часть на фиг.2а, кадр 2) без считывания заряда от объекта малой яркости ( Y на фиг о 2а). За счет этого в 3-м кадре рельеф от фона перед считыванием примерно равен 1,4 размаха рельефа от фона в 1-м кадре, т.е. примерно в 2 раза меньше, чем в случае отсутствия его считывания во 2-м кадре. В 3-м кадре на выходах генератора 17 импульсов нет, а на термо катоде 5 присутствует нулевой потенциал (уровень D How на фиг.2е). Под действием импульса (фиг.26) с генератора I9 на модуляторе 6 установится уровень С ном (фиг.2д). При этом осу- ществляется считывание большей части всего накопленного рельефа (остаточный UOCT показан на фиг,2а) с формированием видеосигнала (фиг.2ж) от объекта малой яркости jf , рельеф от которого накапливается в течение всего цикла, что и обеспечивает максимальную чувствительность ТВ камеры (частично этому способствует и уменьшенный рельеф от фона). Если бы не бы ло предварительного считывания рельефа от объектов сУ и В в I кадре и считывания рельефа от фона во втором кадре, то динамический световой диапазон был бы меньше как за счет увели- чения в III кадре рельефа от фона, так и за счет расширения рельефа от точечных объектов Ы. и ft до (о/ + )( ) и И1 (показано пунктиром на фиг.2а 3-й кадр), происходящего при дости- жении уровня насыщения (уровень А на фиг,2а), примерно равного потенциалу мишени 4-8 В. При этом рельеф от oi слился бы с рельефом от у .

Если рельеф от фона, накапливаемый за один кадр, относительно мал, то при длительном накоплении (число N, например, равно 11) считывание рельефа от фона целесообразно чередовать

с группой кадров М (на фиг.З, ), в которых частично считывается оель- еф от объектов. В этом случае после импульсов с генератора 19, определяющих цикл накопления (фиг.За), на втором выходе генератора 17 формируется импульс длительностью в 4 кадра (фиг.36). При этом потенциал на модуляторе 6 (уровень С Ј на фиг,2д) в 4-х кадрах остается неизменным, а потенциал на катоде 5 (фиг.Зг) изменяется в соответствии с изменением уровня В (фиг.2а). В 5-м кадре поц действием импульса длительностью в один кадр с первого выхода генератора 17 (фиг.Зв) осуществляется считывание заряда рельефа от фона, для чего значения записанной матрицы в оперативно-запоминающем блоке формирователя 14 умножаются в микропроцессоре в , 5 раз под действием кода (Уст.М) „ За- тем процедура частичного считывания рельефа от объектов (в 6-9-м кадрах) и считывание рельефа от фона (в 10-м кадре) повторяется, завершаясь считыванием всего рельефа в 11-м кадре. Редкое (двукратное за 10 кадров) считывание рельефа от фона уменьшает флуктуации, вносимые в потенциальный рельеф электронным лучом. Считывание же рельефа от фона в 10-м кадре непосредственно перед полным считыванием в 11-м кадре способствует улучшению условий считывания от объекта малой яркости у .

Когда уровень светового фона велик и приминимальном докоммутационном усилении (напряжение на выходе преобразователя 13 минимально, например 3 кВ) рельеф от фона наобходимо считывать в каждом кадре,.в (N-1) кадры цикла накопления на формирователь могут подаваться только кадровые гасящие импульсы, При этом на вход генератора 17 вместе КСИ подаются строчные гасящие импульсы и на его выходах формируются импульсы строчной частоты длительностью, равной обратному (на первом- выходе) и прямому (на втором) ходам луча по строке. При этом в микропроцессоре формирователя 14 осуществляется временное инвертирование и временное сжатие значений матрицы по строкам, учитывающие соответственно противоположное направление и увеличенную скорость движения луча на обратному ходу.

Использование предлагаемого способа позволяет улучшить технические характеристики ТВ камеры и астрофизической оптико-электронной системы при включении камеры в ее состав. Это улучшение обусловлено чередованием частичного считывания сверху потенциального рельефа от объектов средней

15

0

и большой яркости со счит ыванием рель-jn ле катода, обеспечивающем считывание ефа от светового фона в первых (N-1) ; адрах цикла накопления рельефа от объекта малой яркости за N кадров, Степень увеличения временной разрешающей способности ТВ камеры (соответственно пропускной способное ти системы) зависит от распределения числ.э регистрируемых объектов в световом динамическом диапазоне по их яркости и при равномерном распределении может оцениваться величиной т-К-М (где т - глубина частичного считывания рельефа, К - число групп из М кадров в цикле накопления) . Так при среднем значении m (от кадра к кадру в группе меняется) 0,6 и при и (случай, соответствующий фиг.З) вы,и рыш МО-чет достигать 5 крат. Если же у используемой в ТВ камере передающей трубки имеется эффект рас екания заряда по мишени, то при использовании предлагаемого способа дополнительно достигается расширение светового динамического диапазона фотоэлектрического преобразования,

2Ь

30

35

на неспздающем участке вторично-эмиссионной характеристики мишени и считывании в последнем N-м кадре цикла накопленного потенциального рельефа от фона и объектов номинальным током луча при потенциале катода, равном потенциалу приведения мишени, отличающийся тем, что, с целью повышения временной разрешающей способности в течение (N-1) кадров считывание с мишени потенциального рельефа от фона чередуют со считыванием потенциального рельефа от оптиче кого изображения объектов средней и большой яркости при пороговом уровне потенциала катода, превышающем потенциал приведения мишени на величину не менее размаха потенциального релье фа от объекта малой яркости, причем .этот пороговый уровень изменяют в пределах кадра пропорционально распре делению чувствительности передающей телевизионной трубки по ее рабочему

П ОЛЮ .

Формула изобретения

1 с Способ преобразования кого изображения в видеосигнал, заключающийся в накоплении потенциального рельефа от оптического изображения фона и объектов на мишени передающей телевизионной трубки в течение цикла из N кадров, считывании с мишени в течение (N-1) кадров потенциального рельефа от фона лучом с током, эффективная часть которого пропорциональна значениям этого потенциального рельефа, при потенциа

ле катода, обеспечивающем считывание

на неспздающем участке вторично-эмиссионной характеристики мишени и считывании в последнем N-м кадре цикла накопленного потенциального рельефа от фона и объектов номинальным током луча при потенциале катода, равном потенциалу приведения мишени, отличающийся тем, что, с целью повышения временной разрешающей способности в течение (N-1) кадров считывание с мишени потенциального рельефа от фона чередуют со считыванием потенциального рельефа от оптического изображения объектов средней и большой яркости при пороговом уровне потенциала катода, превышающем потенциал приведения мишени на величину не менее размаха потенциального рельефа от объекта малой яркости, причем .этот пороговый уровень изменяют в пределах кадра пропорционально распределению чувствительности передающей телевизионной трубки по ее рабочему

П ОЛЮ .

, А

,

№ш1маР Im

.Ш. .2

ЧИ| Ргжим. / ,«-

Лкавр

Фиг J