Выбор времени экспозиции для охранной телекамеры в режиме однократного формирования видеосигнала.
СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович,
кандидат технических наук
ВЫБОР ВРЕМЕНИ ЭКСПОЗИЦИИ ДЛЯ ОХРАННОЙ ТЕЛЕКАМЕРЫ В РЕЖИМЕ ОДНОКРАТНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ВИДЕОСИГНАЛА
В статье проводится анализ возможных методов автоматического выбора времени накопления в зависимости от параметров видеосигнала в телекамерах, обеспечивающих в режиме “MONOSHOT возможность телевизионного фотографирования нарушителя.
Предложено техническое решение на уровне изобретатения модели телекамеры, которая в условиях пониженной освещенности на контролируемом объекте позволяет вести наблюдение в реальном времени (в режиме “TV”), а также измерять по видео освещенность сцены.
При подаче команды на регистрацию события телекамера переходит в режим “MONOSHOT”, где по полученному результату измерения в режиме “TV устанавливается оптимальная величина времени экспозиции.
Известный режим однократного формирования видеосигнала (телевизионного фотографирования) в телекамерах на матричных ПЗС, называемый его французскими изобретателями MONOSHOT” [1], создает определенные трудности при выборе по сигналу изображения важнейшего параметра – оптимального времени экспонирования фотоприемника.
Дело в том, что выбор длительности накопления в этом режиме не может быть выполнен классическим путем при помощи устройств автоматической регулировки чувствительности (АРЧ), действие которых основано на анализе по цепи обратной связи видеосигнала предыдущего кадра, т.к. последнее здесь исключено в принципе.
С другой стороны, только видеосигнал, выбранный в качестве управляющего сигнала для АРЧ, обеспечивает идеальное согласование входного и выходного параметров автомата по спектральной характеристике.
Однако опережающую оценку происходящего на мишени ПЗС фотоэлектрического процесса произвести можно, если воспользоваться предложенным ранее способом формирования управляющего сигнала для АРЧ малокадровых телекамер согласно отечественному изобретению [2].
Уникальными достоинствами управляющего сигнала, полученного этим способом, являются:
- отсутствие временной задержки по отношению к процессу накопления на мишени;
- неразрушающий характер считывания информации в нем содержащейся;
- возможность получения этой информации за малый промежуток времени (до 20 мкс).
В описании изобретения [3] автором настоящей статьи опубликован метод автоматического выбора длительности накопления ПЗС-матрицы по способу [2] применительно к телекамере, работающей в режиме однократного формирования сигнала изображения, который получил название “MONOSHOT-AUTO”.
В этом режиме процесс накопления в ПЗС осуществляется во времени отдельными “порциями”, но с измерением уровня зарядового рельефа фотомишени после каждой из них.
Оценка зарядового рельефа производится по току в цепи одного из фазных электродов секции накопления одновременно для всех ее элементов (пикселов).
Когда совокупный результат измерений достигнет порога, определяющего оптимальную величину рельефа, процесс накопления информационного кадра заканчивается.
Несомненным достоинством данного метода является широкий диапазон возможного выбора времени экспозиции фотоприемника в зависимости от освещенности на контролируемом объекте, который оценивается в пределах от 100 мкс до 10 с, т.е. определяется физическими ограничениями матрицы ПЗС.
К сожалению, предложенный способ формирования управляющего сигнала, зависящего от параметров видеосигнала, может быть реализован только путем бескоординатной развертки, что исключает выбор оцениваемого окна” в пределах предъявляемого кадра изображения.
Кроме этого, из-за больших емкостей фазных электродов секции накопления дисперсия шума (s2) канала считывания видеосигнала по этому способу всегда больше, чем дисперсия шума выходного устройства матрицы (s1) при считывании сигнала изображения традиционным путем, т.е. имеет место большая зашумленность управляющего сигнала.
Для охранной телекамеры, эксплуатирующейся в темное время суток, когда адекватно выбранная экспозиция фотоприемника составляет длительность более одного кадра, в работе [4] предложен режим телевизионного фотографирования нарушителя по методу MONOSHOT-ZOOM-AUTO”, сопровождаемый другим техническим эффектом – увеличением масштаба изображения регистрируемого снимка.
Управляющий сигнал, определяемый видеосигналом, для автоматической оценки длительности экспонирования здесь формируется параллельно от второго датчика, работающего в стандартном периодическом режиме TV”, а поэтому является результатом измерения за счет стандартной координатной развертки.
Если требование по увеличению изображения нарушителя является необязательным, то возможно существенное аппаратное упрощение телекамеры, работающей в режиме “MONOSHOT-AUTO”, при сохранении достоинств управляющего видеосигнала.
Важнейшей предпосылкой для реализации этой возможности является появление на рынке бескорпусных телекамер (камерных модулей), в которых предусмотрены два режима работы: “TV” и “MONOSHOT” с последовательным переключением из одного в другой.
Примером такого изделия является камерный модуль FTM-12 фирмы Philips (Нидерланды) [5].
Ниже предлагается техническое решение охранной телекамеры, выполненной на базе подобного датчика.
Структурная схема телекамеры, устройство которой признано изобретением [6], представлена на рис. 1.
Камера содержит объектив (1), датчик видео- и синхроимпульсов (2), пиковый детектор (3), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в позиции (4), формирователь длительности накопления (5), одновибратор (6), первый RS-триггер (7), второй RS-триггер (8), элемент “ИЛИ” (9) и инвертор (10).
Входные сигналы: “Пуск”, Считывание” и выходные сигналы: “Видео”, Синхро” – обеспечивают необходимое сопряжение телекамеры с компьютером пользователя.
Рис. 1. Структурная схема телекамеры
Рассмотрим работу телекамеры, воспользовавшись временной диаграммой, приведенной на рис. 2. Отметим, что она совпадает с диаграммой, опубликованной в статье [4].
Рис. 2. Временная диаграмма, поясняющая работу телекамеры
До момента прихода на вход Пуск” импульсного сигнала на инверсном выходе RS-триггера (8), а следовательно и на управляющем входе “Выбор режима” датчика (2), поддерживается уровень логической “1”. Одновременно высокий логический уровень поддерживается и на управляющем входе “Накопление” датчика (2), а на его управляющем входе “Считывание присутствует уровень логического “0”.
Телекамера работает в режиме “TV”, а на ее выходе формируется полный телевизионный сигнал по телевизионному стандарту.
На инверсном выходе RS-триггера (7) поддерживается логическая “1”, поэтому формирователь (5) заблокирован по управляющему входу высоким логическим уровнем и не считает тактовые синхроимпульсы, поступающие от датчика (2).
Пусть в момент t0 на вход “Пуск приходит импульс запуска, как показано на рис. 2а. Тогда RS-триггеры (7) и (8) переходят в состояние “0 по инверсному выходу.
Одновременно импульс запуска выполняет сброс пикового детектора (3) и запуск одновибратора (6).
Последний формирует на выходе импульсный сигнал (рис. 2б), длительность которого является интервалом разрешения операции предварительной записи-установки в счетчики формирователя (5).
В течение интервала t0 …. t1 пиковый детектор (3) измеряет текущее значение видеосигнала. Постоянное напряжение с выхода пикового детектора (3) преобразуется далее в АЦП (4) из аналоговой формы в цифровую и подается на установочные входы счетчиков формирователя (5). К моменту t1 (рис. 2б) запись-установка этого числа в счетчики формирователя (5) должна закончиться.
Начиная с момента t1 на выходе элемента “ИЛИ” (9), а, следовательно, и на управляющем входе “Выбор режима” датчика (2), устанавливается уровень логического “0 Благодаря этому с момента t1 телекамера переходит в режим “MONOSHOT”.
Отметим, что с момента t0 на управляющем входе формирователя (5) присутствует низкий логический уровень, т.е. блокировка по этому входу снята. Счетчики формирователя (5) подсчитывают приращение данных, а на его выходе, начиная с момента t1, устанавливается низкий логический уровень (рис. 2г).
Поэтому датчик (2) переходит в состояние длительного накопления информативных зарядов. Длительность накопления в датчике (2) устанавливается оптимальной по критерию максимума отношения сигнал/шум видеосигнала выполняемого снимка, что достигается предварительной калибровкой телекамеры. После окончания накопления зарядов в датчике (2) производится сброс счетчиков формирователя (5) и установка RS-триггера (7) по инверсному выходу в состояние “1” (момент t2 на рис. 2г).
В счетчиках формирователя (5) устанавливается нулевое число, а датчик (2) переходит в состояние “ненакопления”, т.к. на его управляющем входе “Накопление”, начиная с этого момента, формируется высокий логический уровень. Состояние “ненакопления” ПЗС-матрицы означает, сбор фотоэлектронов в потенциальных ямах фотоприемника исключается, а они все попадают в стоковую область и рекомбинируют.
Предположим, что в последующий момент t3 (рис. 2д) на управляющем входе камеры Считывание” уровень логического “0 заменяется на уровень логической “1”.
Далее, как в работе [4], когда высокий уровень в сигнале “Задание длительности считывания” совпадает с окончанием ближайшего кадрового гасящего импульса (момент t4 на рис. 2д), начинается считывание зарядового рельефа информационного кадра, которое продолжается в течение интервала t4 … t5.
В результате на выходе Видео” камеры формируется электрический сигнал одиночного кадра (рис. 2ж).
Отметим, что длительность этого сигнала с учетом кадрового гасящего импульса составляет Тк=20 мс и соответствует периоду полукадров по телевизионному стандарту.
В момент t6 (рис. 2д) внешний импульс на управляющем входе “Считывание заканчивается. Через инвертор (10) возникающий перепад напряжения устанавливает RS-триггер (8) в состояние “1” по инверсному выходу.
В результате высокий логический уровень напряжения подается на управляющий вход “Выбор режима”, а камера, начиная с момента t6 , вновь устанавливается в режим “TV”.
Для реализации оптимального по длительности накопления информативных зарядов в датчике (2) должна быть выполнена калибровка камеры по методике, изложенной в работе [3], а максимальная емкость счетчиков формирователя (5) должна быть выбрана с учетом роста сбора темновых носителей заряда и допустимой заметности на изображении неоднородноти фона.
Заключение
Несомненно, что управление, определяемое видеосигналом, является предпочтительным при выборе оптимального времени экспозиции для телекамер, работающих как в режиме “TV”, так и в режиме “MONOSHOT”. Автор надеется, что изложенные в настоящей статье практические методы решения этой задачи для режима “MONOSHOT” окажутся востребованными.
Литература
- Заявка Франции № 2589301 от 28.10.85 г. МКИ H04N3/15, 5/238. Устройство электронной обтюрации. Заявитель – фирма I2S (Франция).
- Авторское свидетельство 1417210 СССР, МКИ3 H04N 5/228. Способ формирования сигнала управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС/А.Н. Куликов, Л.И. Хромов//Б.И. 1988.- № 12.г.
- Патент 2146080 РФ. МКИ7 HO4N 3/14, 5/335. Устройство однократного формирования сигнала изображения/В.М. Смелков, В.Н. Михайлов, В.Я. Маклашевский//Б.И. 2000, № 6.
- Смелков В.М. Охранная телевизионная камера: новое решение по методу оптико-электронного масштабирования//Специальная техника. 2002, № 6, с.12 15.
- Image sensor module FTM-12.- Preliminary specification, April 1993.
- Патент 2199191 РФ. МКИ7 HO4N 3/14, 5/335. Телевизионная камера/В.М. Смелков//Б.И. – 2003.- № 5.