СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, кандидат технических наук, доцент
ДВУХМАТРИЧНАЯ ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОГО ОСВЕЩЕНИЯ: НОВОЕ РЕШЕНИЕ
Источник: журнал "Специальная Техника" №2 2006 год.
В первом номере журнала “Специальная техника” за 2006 г. была опубликована статья “Возможности построения охранной телевизионной камеры для наблюдения в условиях сложного освещения”. В ней применительно к эксплуатационным особенностям, связанным с работой камеры при наличии “заднего света” или в ситуации “против света”, был предложен метод борьбы с сопутствующими искажениями видеосигнала, направленный на расширение динамического диапазона. Реализация этого метода предусматривала выполнение телекамеры на базе двух синхронно и синфазно работающих матриц приборов с зарядовой связью (ПЗС). Априори считалось возможным осуществить предварительно пространственную ориентацию телекамеры так, чтобы сильно освещенные объекты воспринимались в центральной части ее угла поля зрения.
Согласно упомянутому методу для каждого из двух датчиков формирование видеосигнала выполнялось с использованием автоматической регулировки чувствительности (АРЧ) по зарядовому рельефу отдельно взятой области фотомишени, причем первый датчик реализовал эту функцию по центральной области фотомишени, а второй – по всей области фотомишени за исключением центральной. В результате первичное формирование составляющих комбинированного изображения производилось полностью в автоматическом режиме при различных величинах регулируемых параметров (времени экспозиции и коэффициента усиления видеотракта) для каждого из передаваемых фрагментов сцены.
Однако если по условиям наблюдения освещенность контролируемого центрального фрагмента предельных размеров становится чрезмерно высокой, то это может привести к выходу составляющего зарядового сигнала белого пятна за пределы центральной области фотометрирования и возникновению “краевых подтеканий” в изображении второго датчика. Допустим, что при этом освещенность всей оставшейся периферийной области наблюдения, наоборот, крайне низка. Тогда эти факторы в совокупности могут вызвать существенные искажения соответствующей части комбинированного изображения за счет неоптимальных параметров автоматического регулирования, выставляемых во втором датчике.
Ниже изложено техническое решение возникающей задачи в полуавтоматическом режиме работы устройства. Структурная схема телекамеры изображена на рис. 1. Она содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1 и светоделитель 2, первый датчик телевизионного сигнала 3, второй датчик телевизионного сигнала 4, селектор синхроимпульсов 5, формирователь сигнала “окошко” 6, коммутатор-смеситель 7, пиковый детектор 8, компаратор 9, коммутатор 11 и RS-триггер 12.
В предлагаемом решении датчики телевизионного сигнала 3 и 4, как и ранее, синхронизированы в режиме Genlock с привязкой частоты и фазы по сигналу синхронизации приемника (ССП) от датчика 4.
Рис. 1. Структурная схема телекамеры
В качестве датчика 4 может быть использована предлагаемая российской фирмой ЭВС бескорпусная камера VSI-746, а в качестве датчика 3 – бескорпусная камера VNI-702 [1], та и другая выполнены на основе матрицы ПЗС с числом элементов 582х752 и размером мишени по диагонали 1/2 дюйма. Возможен и обмен информацией между датчиками, но тогда импульсы ССП должны подаваться от датчика 3 на вход “синхро” датчика 4. Отметим, что фотометрирование АРЧ в этих датчиках выполняется по всей площади фотомишени.
Особенностью настоящего решения является наличие у датчика 4 первого и второго управляющих входов.
Для прибора VSI-746 первым управляющим входом является вывод 20 микросхемы CXD2463R синхрогенератора. Если необходимо включить АРЧ по времени накопления (АРВН), нужно подать на этот вывод логический “0”, для переключения в режим ручного управления – логическую “1” в уровнях ТТЛ.
Второй управляющий вход прибора VSI-746 образуют выводы 11, 12, 13 этой же микросхемы CXD2463R. Для работы в режиме АРВН эти выводы “висят в воздухе”, т.к. на них с помощью высокоомных резистивных делителей поданы соответствующие потенциалы в диапазоне 1,3 – 3,5 В. Для ручного режима управления временем накопления фотоприемника возможно переключение восьми значений фиксированных экспозиций в диапазоне от 10 мкс до 8,33 мс. Необходимые кодовые комбинации из нулей и единиц, которые должны быть поданы на соответствующие выводы, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Номер вывода | Время экспозиции (накопления) фотоприемника, мкс | |||||||
10,0 | 100,0 | 200,0 | 500,0 | 1000,0 | 2000,0 | 4000,0 | 8330,0 | |
Кодовая комбинация | ||||||||
11 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
13 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
12 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Указанные кодовые комбинации могут быть выполнены с помощью трехразрядного счетчика 10. Электрическая схема этого счетчика представлена на рис. 2. Выход “A” счетчика подключен к выводу 11 микросхемы CXD2463R, а выводы “B” и “C” – соответственно к выводу 13 и 12 этой микросхемы.
Рис. 2. Электрическая схема счетчика
Счетчик 10 является счетчиком не циклического типа, а самоостанавливающимся. Схема счетчика выполнена на основе технического решения, предложенного в работе [2, с. 172 – 173]. Счетчик содержит первый (Т1), второй (Т2) и третий (Т3) триггеры JK-типа, элемент “И”, элемент “ИЛИ-НЕ” и элемент “НЕ”.
Счетчик 10 начинает счет с двоичного числа “000”, которое гарантируется кратковременной подачей на входы очистки триггеров сигнала логического “0”. Затем следует число “100”, потом “010” и т.д., как приведено в табл. 1.
Если в процессе счета на первом входе элемента “ИЛИ-НЕ” появится внешний сигнал логической “1”, то на J- и K-входах первого триггера будет сформирован сигнал логического “0”, что приведет к блокировке и остановке счетчика.
Если же в процессе счета на первом входе элемента “ИЛИ-НЕ” удерживается сигнал логического “0”, то при достижении числа “111” на выходе элемента “И” установится сигнал логической “1”. Этот сигнал, подаваемый на второй вход элемента “ИЛИ-НЕ”, установит на его выходе сигнал логического “0”. В результате будет также обеспечена остановка счетчика.
Формирователь 6 предназначен для получения на выходе сигнала “окошко” с форматом (AxB),
где A – размер – “окна” в растре по горизонтали;
B – размер “окна” в растре по вертикали.
В пределах растра “окно” занимает центральный фрагмент, а его размеры связаны с размерами растра следующими соотношениями:
A = X/(2…3),
B = Y/(2…3),
где X и Y – размеры растра по горизонтали и вертикали соответственно.
Формирование сигнала “окошко” целесообразно выполнить цифровым методом, например на базе широко применяемого в России процессора PIC16C73 -201/SP.
Пиковый детектор 8 предназначен для запоминания напряжения, пропорционального максимальному уровню видеосигнала, который формируется вторым датчиком 4, в кадровой области, расположенной вне “окна”. Особенностью пикового детектора 8 является запоминание только при условии, когда на его стробирующем входе присутствует высокий логический уровень. Перед началом очередного цикла работы выполняется обнуление детектора с помощью положительного импульса, подаваемого на вход “сброс”.
Компаратор 9 предназначен для сравнения по уровню информационного сигнала с выхода пикового детектора 8 и порогового напряжения Uп со скачкообразным изменением выходного напряжения в случае, когда информационный сигнал больше Uп.
Коммутатор 11 обеспечивает при подаче на его управляющий вход логической “1” подключение сигналов двоичного числа с выхода разрядов счетчика 10 на второй управляющий вход первого датчика 3. Когда на управляющем входе коммутатора 11 присутствует логический “0”, второй управляющий вход датчика 3 оказывается изолированным от счетчика 10.
Блок 12 является логическим триггерным устройством RS-типа с высоким активным уровнем на входах управления.
Телекамера (рис. 1) работает следующим образом.
Пусть в поле зрения камеры одновременно находятся сильно и слабоосвещенные объекты и/или объекты с резким отличием по яркости. Предварительно камера ориентируется так, чтобы сильно освещенные или яркие объекты воспринимались в центральной части ее угла зрения.
Как и в предыдущем решении, входное оптическое изображение проходит по оптическому пути: объектив 1, вход светоделителя 2, первый выход светоделителя 2 проецируется на фотомишень первого датчика 3 телевизионного сигнала. Одновременно это изображение проходит по другому оптическому пути: объектив 1, вход светоделителя 2, второй выход светоделителя 2 проецируется на фотомишень второго датчика 4 телевизионного сигнала.
В результате фотоэлектрического преобразования оптическое изображение каждого из датчиков преобразуется далее в соответствующие видеосигналы, а из полного телевизионного сигнала, формируемого на выходе датчика 4, селектор 5 выделяет строчные и кадровые синхроимпульсы. На выходе формирователя 6 вырабатывается импульсный сигнал “окошка” положительной полярности, который обеспечивает на выходе коммутатора-смесителя 7 формирование полного телевизионного сигнала комбинированного изображения, состоящего из видеосигнала от датчика 3 в границах “окна” и видеосигнала от датчика 4 на его остальной части.
Следует добавить, что автоматические регулировки времени накопления (АРВН) фотоприемников как для датчика 3, так и для датчика 4 установят по сильно освещенному или яркому сюжету практически одинаковую величину текущей экспозиции в обоих каналах. Но из-за малой и неоптимальной величины времени накопления фотоприемника датчика 4 это приведет к неизбежному ограничению динамического диапазона градаций яркости для объектов контроля, передаваемых в комбинированном изображении вне “окна”.
Для устранения этого недостатка на вход “пуск” телекамеры подается импульс положительной полярности. За время действия импульса обеспечивается очистка счетчика 10, который на выходе разрядов формирует число “000”, а также выполняется обнуление детектора 8.
На прямом выходе RS-триггера 12 устанавливается сигнал логической “1”. Последний подается на управляющий вход коммутатора 11 и на первый управляющий вход датчика 4. Поэтому схема АРВН в датчике 4 отключается, а его второй управляющий вход оказывается подключенным к выходу разрядов счетчика 10. Время накопления фотоприемника датчика 4 устанавливается равным 10 мкс (табл. 1).
Счетчик 10 выполняет прямой счет кадровых синхроимпульсов, а при каждом изменении выходного числа время накопления фотоприемника датчика 4 последовательно увеличивается. Поэтому возрастает уровень видеосигнала, вырабатываемого датчиком 4 для темных и/или низкоосвещенных объектов.
Пиковый детектор 8 регулярно (с периодом полукадров) регистрирует увеличение видеосигнала, а компаратор 9 сравнивает этот отсчет с пороговым напряжением Uп.
Допустим, что в некоторый момент выходное напряжение пикового детектора 8 достигает величины Uп. Тогда компаратор 9 опрокидывается, а на его выходе устанавливается сигнал логической “1”. В результате счетчик 10 останавливается, а на втором управляющем входе датчика 4 фиксируется двоичное число, определяющее величину времени накопления фотоприемника.
Этот режим телекамеры является полуавтоматическим, т.к. предполагает подстройку порога срабатывания (Uп) компаратора 9, в целях достижения компромиссного результата между повышением отношения сигнал /шум для периферийной области комбинированного изображения и краевыми искажениями, возникающими на границах его центральной области. Для повышения точности выполнения этой регулировки рекомендуется на это время переключить тактовый вход счетчика 10 на повышенный период счетных импульсов, снимаемых с выхода делителя частоты, как показано на рис. 2 пунктирными линиями.
Следует добавить, что если при достижении на выходе счетчика 10 максимального числа (“111”) напряжение на выходе пикового детектора 8 не достигнет величины Uп, то счетчик остановится самостоятельно. При этом время накопления фотоприемника датчика 4 составит 8330,0 мкс (табл. 1).
Для возвращения телекамеры в автоматический режим работы необходимо подать на вход “стоп” импульс отрицательной полярности. Тогда на прямом выходе RS-триггера 12 установится сигнал логического “0”, а в датчике 4 будет восстановлено функционирование схемы АРВН.
При одинаковых геометрических размерах фотомишеней датчиков 3 и 4 составляющие комбинированного изображения (в “окне” и вне “окна”) будут иметь неизменный масштаб.
При необходимости иметь в пределах “окна” увеличенное изображение геометрические размеры фотомишени второго датчика должны превышать соответствующие размеры первого датчика. Пусть размер мишени по диагонали для первого датчика составляет 1/4 дюйма, а для второго – 1/2 дюйма. Тогда кратность масштабирования комбинированного изображения составит 1/2 : 1/4 = 2 раза.
Литература
- Телевизионные камеры фирмы “ЭВС”: Каталог, 2005.
- Токхейм Р. Основы цифровой электроники. /Пер. с англ. М.: Мир, 1988.
Статья опубликована на сайте: 15.02.2007