Охранная телевизионная система с расширением динамического диапазона в режиме компьютерной регистрации изображений

СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, кандидат технических наук, доцент

Источник: Журнал "Специальная Техника" № 6 2007 год

В работе [1] была предложена аналитическая оценка способа расширения динамического диапазона охранной телевизионной системы при многоканальном преобразовании «свет-сигнал» в телекамере. Сложности принципиально необходимого совмещения изображения наблюдаемой сцены с телевизионными растрами фотоприёмников на матричных ПЗС приводят к практической реализации этого способа лишь при двухканальном параллельном преобразовании [2, 3, 4]. Однако и для двухканального преобразования «свет-сигнал» это совмещение растров, остаётся оптико-механической задачей с очевидными сложностями, как в процессе изготовления телевизионной системы, так и в процессе её эксплуатации.

По мнению ведущих отечественных специалистов [5, с. 23], в настоящее время, происходит срастание компьютерной техники, телевидения и связи, характерное для второго этапа твердотельной революции в телевидении. Очевидной тенденцией этого процесса является встречное движение к телевидению со стороны разработчиков компьютерной техники. В качестве примера этого явления можно назвать наличие на рынке продукта серии AverTV, состоящего из платы тюнера с установочным компакт-диском, которые способны превратить компьютер пользователя в настоящий мультимедийный центр, т.к. на нём можно смотреть телепрограммы, проводить видеоконференции, делать снимки и видеозаписи.

Ниже предлагается техническое решение телевизионно-компьютерной-системы, способной решать задачу расширения динамического диапазона регистрируемых изображений при двухканальном последовательном преобразовании «свет-сигнал» с использованием в телекамере единственного фотоприёмника на матрице ПЗС и с установленным в компьютере продуктом AverTV.

В этом решении выполняется запись в компьютер двух последовательных снимков композитного видеосигнала телевизионной камеры, при этом сам видеосигнал подготовлен для съёмки и представляет собой две периодические последовательности, следующие с интервалом времени между снимками. Кадровые составляющие каждой последовательности сформированы при двух различных длительностях накопления фотоприёмника, которые оптимальны или близки к оптимальным значениям соответственно для светлых и тёмных деталей передаваемых фрагментов сцены.

Структурная схема системы изображена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема телевизионно-компьютерной системы

Она состоит и последовательно соединённых по композитному видеосигналу телекамеры (1) и компьютера (2). Телекамера содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив (1-1) и датчик (1-2) телевизионного сигнала, а также RS-триггер (1-3) и последовательно соединённые селектор (1-4) синхроимпульсов, счётчик-делитель (1-5) и блок (1-6) предустановки и коммутации (БПК). «S»-вход RS-триггера (1-3) является входом «Пуск», а «R»-вход RS-триггера (1-3) – входом «Стоп» телекамеры (1).

Отметим, что управляющие импульсы на входы «S» и «R» RS-триггера (1-3) могут быть поданы от компьютера (2) через блок (1-7) сопряжения интерфейса -RS-232 или RS-485, установленный в телекамере (см. рис. 1).

В качестве датчика (1-2), как и в решении [3], может быть использована предлагаемая российской фирмой «ЭВС» (г. Санкт-Петербург) бескорпусная камера VSI-746, которая выполнена на основе матрицы ПЗС с числом элементов 582×752 и размером мишени по диагонали ½ дюйма.

Особенностью датчика (1-2) является наличие первого и второго управляющих входов. Для прибора VSI-746 первым управляющим входом является вывод 20 микросхемы CXD2463R. Если необходимо включить автоматическую регулировку 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 микросхемы CXD2463R. Для работы в режиме АРВН эти выводы должны «висеть в воздухе», т.к. на них с помощью высокоомных резистивных делителей подаются соответствующие потенциалы в диапазоне 1,3 – 3,5 Вольт. Если необходимо переключение восьми значений фиксированных экспозиций в диапазоне от 10 мкс. до 10 мс, то на них должны быть поданы кодовые комбинации из нулей («0») и единиц («1»), указанные в приведённой ниже табл.1.

В настоящем решении используются две кодовые комбинации: «000», соответствующая минимальному времени накопления фотоприёмника, равному 10 мкс, и «111» – максимальному времени в 10000 мкс. Предустановка этих кодов предусмотрена в блоке БПК (1-6) телекамеры.

Таблица 1

Пример выполнения электрической схемы БПК (1-6) показан на рис.2.

Рис. 2. Электрическая схема блока предустановки и коммутации

Схема содержит первый элемент «И» (1-6-1), второй элемент «И» (1-6-2), третий элемент «И» (1-6-3), а также первый коммутатор (1-6-4), второй коммутатор (1-6-5) и третий коммутатор (1-6-6), при этом первые входы элементов «И» соединены между собой и подключены к выходу счётчика-делителя (1-5), вторые входы элементов «И» - к логической «1», а выходы элементов «И» - соответственно к управляющим входам первого (1-6-4), второго (1-6-5) и третьего (1-6-6) коммутаторов, входы разрешения коммутаторов соединены между собой и подключены к выходу RS-триггера (1-3), а выходы коммутаторов являются выходом БПК (1-6).

При подаче высокого логического уровня сигнала на входы разрешения коммутаторов (1-6-4), (1-6-5), (1-6-6) и высокого логического уровня сигнала на первые входы элементов «И» (1-6-1), (1-6-2), (1-6-3) на выходе БПК (1-6) формируется логическая комбинация «111». Когда на первые входы элементов «И» (1-6-1), (1-6-2), (1-6-3) будет подан логический «0», на выходе БПК (1-6) установится логическая комбинация «000».

Если на входы разрешения коммутаторов (1-6-4), (1-6-5), (1-6-6) будет подан низкий логический уровень, тогда, независимо от состояния на входах элементов «И» (1-6-1), (1-6-2), (1-6-3), выходы коммутаторов будут изолированы от входов.

Селектор (1-4) синхроимпульсов предназначен для выделения из композитного видеосигнала на входе сигнала синхронизации приёмника (ССП) с последующим формированием на выходе кадрового синхронизирующего импульса (КСИ).

Счётчик-делитель (1-5) должен обеспечивать деление частоты КСИ с 50 Гц до частоты (1-0,1) Гц. Период следования выходных импульсов Т_д блока (1-5): Т_д = ×Т_к, где Т_к – период КСИ, n – коэффициент деления.

RS-триггер (1-3) является тактируемым триггерным устройством RS-типа с высоким активным уровнем на входах управления.

Телевизионно-компьютерная система (см. рис. 1) работает следующим образом.

В поле зрения телекамеры (1) могут одновременно находиться сильно и слабо освещённые объекты и / или объекты с резким отличием по яркости в статичном состоянии.

В исходном режиме работы на первом управляющем входе датчика (1-2) присутствует логический «0», поэтому автоматическая регулировка времени накопления (АРВН) фотоприёмника установит по сильно освещённому или яркому сюжету величину текущей экспозиции. Для передаваемых в одном телевизионном поле тёмных и низко освещённых деталей сцены это время экспонирования приведёт к реальной потери чувствительности телекамеры (1) и искажениям соответствующих фрагментов изображения.

Одновременно селектор (1-4) синхроимпульсов выделяет на выходе кадровые синхроимпульсы (см. рис. 3а), а на выходе счётчика-делителя (1-5) - импульсы с периодом Т_д. (см. рис. 3б).

Рис. 3. Временные диаграммы, поясняющие работу системы

Пусть на вход «Пуск» телекамеры (1) подаётся импульс положительной полярности. В момент совпадения на «S»-входе RS-триггера (1-3) высокого уровня этого импульса с высоким уровнем кадровых синхроимпульсов на его тактовом входе состояние триггера изменяется. На прямом выходе триггера (1-3) устанавливается сигнал логической «1». Последний подаётся на управляющий вход блока (1-6) и на первый управляющий вход датчика (1-2). Поэтому схема АРВН в датчике (1-2) отключается, а его второй управляющий вход оказывается подключённым к выходу блока (1-6).

Отметим, что независимо от этой коммутации селектор (1-4) синхроимпульсов продолжает выделять на выходе кадровые синхроимпульсы, а на выходе счётчика-делителя (1-5) формируются импульсы с периодом Т_д.

При подключении второго управляющего входа датчика (1-2) к выходу блока (1-6) на этом входе на время действия низкого уровня меандра импульсов с выхода блока (1-5) устанавливается логическая комбинация «000», обеспечивающая длительность кадрового накопления зарядов в фотоприёмнике, равной 10 мкс (см. табл. 1). Когда же с выхода блока (1-5) будет подан высокий уровень меандра импульсов, тогда на это время на втором управляющем входе датчика (1-2) установится логическая комбинация «111», гарантирующая время накопления матрицы ПЗС 10000 мкс. (см. табл. 1).

Оператор на экране монитора компьютера (2) наблюдает два изображения, сменяющиеся с интервалом Т_д/2. Одно из них соответствует последовательности кадров, сформированных телекамерой (1) при времени накопления 10 мкс., другое – последовательности кадров при времени накопления 10000 мкс, как показано на временной диаграмме, изображённой на рис. 3в.

Выбрав в компьютерной программе закладку «Снимки» и задав интервал времени между двумя последовательными снимками, равным Т_д/2 оператор далее выполняет запись двух снимков и их сохранение в папке.

На снимке 1 яркие и светлые детали передаются видеосигналом без ограничения в белом. На снимке 2 эти фрагменты видеосигнала ограничены в белом, зато фрагменты видеосигнала, передающие тёмные и низко освещённые детали сцены, приобретают большее отношение сигнал/ шум благодаря пропорциональному увеличению времени накопления. Поэтому во втором снимке обеспечивается компенсация искажений сигнала изображения для тёмных и низко освещённых деталей сцены.

По видеосигналам записи первого и второго снимков в компьютере может быть сформирован сигнал комбинированного изображения.

При необходимости возвращения системы в исходный режим работы следует подать импульс положительной полярности на вход «Стоп». В момент совпадения на «R»-входе RS-триггера (1-3) высокого уровня этого импульса с высоким уровнем тактовых импульсов (КСИ) состояние триггера изменяется. На прямом выходе RS-триггера (1-3) установится сигнал логического «0», а в датчике (1-2) будет восстановлено функционирование схемы АРВН.

Литература

1. Смелков В.М. Аналитическая оценка многоканального способа расширения динамического диапазона телевизионной системы / Специальная техника, 2007, №2, с. 25–29.
2. Смелков В.М. Возможности построения охранной телевизионной камеры для наблюдения в условиях сложного освещения / Специальная техника, 2006, №1, с.9–11.
3. Смелков В.М. Двухматричная телевизионная камера для наблюдения в условиях сложного освещения: новое решение / Специальная техника, 2006, №2, с.15–18.
4. Смелков В.М. Режим BLC в охранной телекамере: новое решение / Специальная техника, 2006 , №5, с.15–18.
5. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К., 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», 2006г.

Статья опубликована на сайте: 09.06.2008