СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, кандидат технических наук, доцент

ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА ДЛЯ КРИМИНАЛИСТИКИ С ФУНКЦИЕЙ СОВМЕЩЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ

В журнале “Специальная техника” в № 4 за 2003 год была опубликовала статья о техническом решении телекамеры, предназначенной для контроля криминалистических объектов с повышенной точностью путем увеличения разрешающей способности изображения в темпе малокадрового разложения. Последнее предполагает, что скорости разверток по вертикали, горизонтали и частота поэлементного считывания существенно медленнее и соответственно ниже по сравнению с вещательным стандартом по ГОСТ 7845-92. При этом телекамера должна обеспечивать прежде всего формирование максимально неискаженной видеоинформации для последующего ее ввода в компьютер.

Придерживаясь тезиса, что большинство объектов криминалистической диагностики являются предметами с высокой плотностью расположения отдельных компонентов, но находящиеся в статичном состоянии, автор настоящей работы предлагает расширить функциональные возможности малокадровой телекамеры за счет формирования на ее выходе сигнала совмещенного изображения.

Применительно к двум пространственно разнесенным объектам новая функция обеспечивается при помощи формирования в каждой активной малокадровой строке двух неискаженных видеосигналов от единственной матрицы ПЗС.

Функция совмещения изображений неоднократно встречается в телевизионных системах, работающих в американском или европейском вещательном стандарте. Однако следует отметить, что формирование видеосигнала совмещенного изображения обязательно сопровождается обменом разрешающей способности на размеры “стыкуемых” в пределах видимого растра изображений.

Например, согласно английскому патенту [1] совмещенное изображение, вырабатываемое на выходе аналоговой видеосистемы, поддерживает максимальную разрешающую способность по горизонтали, но имеет место и частичная потеря видеоинформации от каждой из телекамер, т.к. в совмещенном изображении передаются только центральные участки двух составляющих изображений.

С другой стороны, современный цифровой квадратор “упаковывает” в горизонтальный размер растра два полных (без потерь) изображения, но четкость совмещенного изображения, по сравнению с исходной, в два раза хуже.

Ниже предлагается техническое решение малокадровой телекамеры, снабженной функцией совмещения двух изображений, но не имеющей отмеченных недостатков. Телекамера выполнена на базе матрицы ПЗС с организацией “кадровый перенос” с двумя симметрично расположенными горизонтальными регистрами [2, с. 112]. Отметим, что такая схемотехническая организация фотоприемника была специально предложена отечественными разработчиками в начале восьмидесятых годов для работы ПЗС-камеры в вещательном или совместимом с ним стандарте. Данная организация позволяет выбрать в качестве фотомишени либо секцию накопления, либо секцию памяти и, в зависимости от принадлежности допустимых дефектов темнового тока (центров повышенной термогенерации-рекомбинации) в той или иной секции, существенно снизить “вклад” этой помехи в выходной видеосигнал матрицы. Благодаря этой возможности геометрически большой “столбцовый” дефект можно всегда разменять на малый “точечный”!

Отличительной особенностью предлагаемой телекамеры является малокадровый темп самосканируемой развертки матрицы ПЗС, режим импульсного экспонирования фотоприемника и использование его секции накопления и секции памяти в качестве двух фотомишеней одновременно.

Видеосигнал строки телекамеры содержит число отсчетов (пикселов), равное суммарному числу элементов в регистрах матрицы ПЗС, а видеосигнал кадра – стандартное число строк и формат 4/3, совпадающий с форматом отдельной фотомишени.

Структурная схема телекамеры, устройство которой признано изобретением [3], показана на рис. 1.

Она содержит оптический блок (1); матрицу ПЗС (2); четыре преобразователя уровней (3), (4), (5) и (6); формирователь управляющих сигналов (7); два видеоусилителя (8) и (9); блок обработки видеосигнала (10).

Рис. 1. Структурная схема телекамеры согласно изобретению [ 3]

На оптический блок (1) возложены две основные задачи:

• реализация режима импульсного освещения двух контролируемых объектов (“левого” и “правого”) при помощи двух синхронно работающих импульсных источников света;
• изменение масштаба каждого из оптических изображений в горизонтальном направлении.

Оптическое масштабирование, действующее как оптическая “растяжка” по горизонтали для входных изображений, выполняется анаморфотными объективами. Отметим, что промышленная реализация таких объективов с необходимыми коэффициентами анаморфирования по горизонтали, в настоящее время не вызывает технических трудностей [4].

Направляющие оптические элементы (1-5), (1-6) и (1-8) выполняют параллельный перенос каждой из двух оптических осей. Оборачивающий оптический элемент (1-7) осуществляет разворот изображения на мишени (2-2) по отношению к изображению на мишени (2-1) на 180 градусов. Следует добавить, что для упрощения начертания структурной схемы телекамеры на рис. 1 ход лучей кадра не показан.

При промышленном производстве оптического блока (1) оборачивающий оптический элемент (1-7) целесообразно изготовить в виде призмы Довэ или призмы Пехана.

Рассмотрим работу малокадровой телекамеры. Изображения “левого” и “правого” объектов в режиме импульсного экспонирования проецируется через оптический блок (1) на мишени (2-1) и (2-2) матрицы ПЗС.

Режим импульсного экспонирования, обеспечиваемый синхронно работающими импульсными источниками света (1-1) и (1-2), осуществляется так, что в течение обратного хода кадровой развертки оба оптических канала открыты, а во время прямого хода – закрыты. Управление блоками (1-1) и (1-2) производится при помощи кадрового гасящего импульса, подаваемого с выхода формирователя управляющих сигналов (7).

Коэффициенты анаморфирования объективов (1-3) и (1-4) по полю кадра равны 0,5. Поэтому на секцию (2-1) поступает импульсное изображение “левого” объекта, растянутое вдвое по горизонтали, а на секцию (2-2) – растянутое вдвое в том же направлении импульсное изображение “правого” объекта.

К моменту окончания интервала кадрового гашения на фотомишенях (2-1) и (2-2) заканчивается формирование зарядовых рельефов соответственно для “левого” и “правого” объектов контроля. В течение прямого хода кадровой развертки выполняется поочередное считывание зарядовых пакетов при закрытых оптических каналах (в темноте) на секции (2-1) в выходной регистр (2-3) и из секции (2-2) в регистр (2-4).

Во время первой половины активной части каждой строки считываются все горизонтальные пикселы секции (2-1), а во время второй половины – все пикселы секции (2-2). Важно отметить, что удвоенная частота переноса зарядовых пакетов в регистрах, благодаря малокадровому режиму разложения, остается существенно ниже предельной частоты опроса ПЗС-линейки, для которой необходимо учитывать искажения сигнала изображения из-за неэффективности переноса.

В результате видеосигналы на первом и втором выходах матрицы ПЗС содержат видеоинформацию с восстановленным (неискаженным) масштабом для “левого” и “правого” объектов контроля. Далее через буферные видеоусилители (8) и (9) видеосигналы от матрицы ПЗС поступают на блок (10), где выполняется процедура их предварительной обработки и объединения (“сшивки”). На выходе телекамеры в малокадровом темпе формируется совмещенный видеосигнал, в каждой активной строке которого последовательно передаются полностью сигналы изображения от “левого” и “правого” объектов контроля.

Необходимо отметить, что использование одной матрицы ПЗС для двух видеоканалов обеспечивает идентичность режимов работы, идентичность изменения характеристик при старении, стабильность взаимных геометрических характеристик двух мишеней изображения.

Если М – число пикселов для первого или второго регистров ПЗС-матрицы, то разрешающая способность совмещенного изображения по горизонтали (N _x) в телевизионных линиях поддерживается вдоль строки, равной:

N _x =М ґ 1/к, где к – формат кадра (4/3).

Как уже упоминалось, при прочих равных условиях этот результат вдвое превосходит возможности современного цифрового квадратора.

1. Патент Великобритании №1438293. МКИ² H04N 7/08, НКИ H4FD2A, D30T. Телевизионная система для передачи двух и более изображений по одному кабелю. Опубл. 3.06.76.
2. Кузнецов Ю.А., Шилин В.А. Микросхемотехника БИС на приборах с зарядовой связью. - М. “Радио и связь”, 1988.
3. Патент РФ №2065257. МКИ⁶ H04N 5/225. Малокадровое устройство формирования сигнала изображения.//В.М. Смелков./ Б.И. – 1996 - №22.
4. Карты анаморфотных насадок и блоков для съемки широкоэкранных фильмов./ Обзор киносъемочных объективов отечественного и зарубежного производства для съемки обычных, широкоэкранных, широкоформатных и 16-мм кинофильмов. Составлен под ред. Ф.С. Новика. Москва, 1969, с.165.

Статья опубликована на сайте: 04.04.2006