Смелков Вячеслав Михайлович,
кандидат технических наук
Источник: журнал "Специальная Техника"
В первом номере журнала за 2001 год была опубликована статья А.Н. Куликова “Телевизионное наблюдение при ярком солнечном свете”, где были рассмотрены проблемы работы телевизионной камеры на матрице ПЗС при избыточном освещении на объекте и даны практические рекомендации по снижению сопутствующих этим условиям искажений видеосигнала. Автор настоящей статьи предлагает дополнить “арсенал” известных способов борьбы со световой перегрузкой (или защиты от нее) ещё одним эффективным техническим решением.
В упомянутой работе верхняя отметка диапазона рабочих освещенностей для охранной телевизионной камеры оценивается в 100 000 люкс, что считается надежной характеристикой условий наблюдения при ярком солнечном свете.
Однако следует признать, что получен этот результат при использовании в камере современной японской ПЗС-матрицы фирмы Sony, выполненной по технологии EXWAVEHAD, в режиме электронного затвора фотоприемника, когда время экспозиции (время накопления) составляет 1/1000 000 с. При этом интегральный сигнал “смаза” телевизионного изображения – 10 %, что соответствует “пограничному” переходу от приемлемого к низкому качеству для зрительного восприятия изображения.
Существенного уменьшения сигнала “смаза” при освещенности 100 000 люкс можно достичь в телевизионной камере с использованием двух ПЗС-матриц. Структурная схема камеры представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема телевизионной камеры
Телевизионная камера содержит объектив (1), первый датчик телевизионного сигнала (2), блок питания (3), светоделитель (4), второй датчик телевизионного сигнала (5), селектор синхроимпульсов (6), формирователь тестовой строки (7), пиковый детектор (8), компаратор (9) и блок коммутации (10).
Светоделитель (4) при взаимно перпендикулярном расположении фотомишеней датчиков (2) и (5) содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало и нейтральный светофильтр, а при взаимно параллельном расположении фотомишеней – полупрозрачное зеркало, нейтральный светофильтр и отражающее зеркало (на рисунке не показаны).
Особенностью датчика (2) является нанесение непрозрачной маски на верхнюю или на нижнюю строку фотомишени матрицы ПЗС для выделения “чистого” сигнала “смаза” – помехи от “смазывания” изображения.
В крайнем случае, если при эксплуатации камеры удается избегать сильных локальных засветок верхней или нижней части проекции оптического изображения на фотомишень датчика (2), то от нанесения соответствующей непрозрачной маски можно отказаться.
Выделим в диапазоне рабочих освещенностей камеры два участка:
- участок 1 – соответствует низким и средним освещенностям на объекте;
- участок 2 – соответствует освещенностям на объекте от выше средних до высоких.
Независимо от освещенности на объекте входное оптическое изображение через объектив (1) и светоделитель (4) проецируется одновременно на фотомишени датчиков (2) и (5).
Независимо от входной освещенности селектор (6) выделяет строчные и кадровые синхроимпульсы, формирователь (7) вырабатывает на выходе управляющие сигналы “Строб” и “Сброс” для пикового детектора (8), а сам детектор (8) в интервале первой или последней активной строки полукадра регистрирует текущий уровень “смаза” фотоприемника датчика телевизионного сигнала (2).
Предположим, что освещенность на объекте находится в пределах участка 1. Тогда напряжение на выходе пикового детектора (8) обязательно меньше порогового напряжения Uп компаратора (9), а на выходе последнего устанавливается уровень логического “0”.
Нулевой уровень управляющего сигнала в блоке коммутации (10) обеспечивает трансляцию на выход “видео” телевизионной камеры полного видеосигнала от датчика (2) и отключение питающего напряжения от датчика (5).
Пусть освещенность на объекте увеличивается и переходит на участок 2. В этом случае выходное напряжение пикового детектора (8) превысит пороговое напряжение Uп компаратора (9), а на выходе последнего установится уровень логической “1”. Единичный уровень управляющего сигнала в блоке коммутации (10) приведет к подаче напряжения питания на датчик (5) и трансляцию его полного видеосигнала на выход “видео” телевизионной камеры.
Нейтральный светофильтр светоделителя (4) ослабляет освещенность, благодаря чему датчик (5) не испытывает световой перегрузки на фотомишени. Поэтому в предлагаемой камере для верхнего участка диапазона отношение сигнал/помеха от “смазывания” изображения поддерживается на уровне не более допустимого и для максимально предельных значений освещенности на объекте.
Если освещенность на объекте уменьшится и перейдет на участок 1, то в камере вновь произойдет автоматическая быстродействующая коммутация по видео от датчиков (2) и (5), а питающее напряжение будет подано только на датчик (2).
Благодаря последнему, на участке 1 поддерживается экономичное энергопотребление камеры, а дополнительное потребление мощности возникает только на участке 2.
Следует отметить, что предлагаемое решение не приводит к потере чувствительности камеры на участке 1, а в качестве датчика (2) рекомендуется использовать камерный модуль, в котором применена ПЗС-матрица модели EXWAVEHAD фирмы Sony с улучшенной в 3…4 раза чувствительностью.
С другой стороны, в качестве датчика (5) можно использовать более дешёвый камерный модуль, где применена ПЗС-матрица с обычной чувствительностью (стандартный CCD).
Выполним инженерный расчет технического результата предлагаемого решения.
Пусть допустимое значение интегрального сигнала “смаза” изображения составляет 1%, т.е. отношение сигнал/помеха от “смазывания” изображения в выходном сигнале камеры составляет 40 дБ.
Воспользуемся графиком зависимости сигнала “смаза” от времени накопления для телевизионных камер на ПЗС-матрице в режиме электронного затвора (см. рис. 3 статьи А. Н. Куликова).
Тогда для 1% “смаза” имеем время накопления датчика (2) – 2· 10-5 с (см. зависимость “EXWAVEHAD CCD”), а время накопления датчика (5) – 2· 10-4 с (см. зависимость “cтандартный CCD”).
С учетом линейности обмена возрастания освещенности на мишени фотоприемника ПЗС на уменьшение его времени экспозиции, получим для интервала накопления Тн = 2· 10-4 с датчика (5) сопутствующее значение освещенности на входе Е = 500 люкс.
Тогда ослабление D входной освещенности, выполняемое полупрозрачным зеркалом и нейтральным светофильтром светоделителя (4), составит 200 раз.
Если ослабление D1 полупрозрачного зеркала составляет 2 раза (коэффициент пропускания 0,5), то необходимое ослабление D2 нейтрального светофильтра – 100 раз.
В заключение следует отметить, что предлагаемое техническое решение по минимизации искажений телевизионной камеры при работе в условиях световой перегрузки экономически выгоднее классического решения – использования в камере объектива с автоматической диафрагмой (АРД). Расчеты показывают, что стоимость камеры с АРД-объективом втрое выше, чем стоимость камеры с постоянной диафрагмой. С другой стороны, недостатком камер с АРД-объективами является низкая механическая прочность и, следовательно, недопустимость их применения в условиях сильных вибраций. В предлагаемом решении этого недостатка удается избежать.
Статья опубликована на сайте: 22.01.2003