Двухматричная телекамера для работы в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов

Фрагмент 3-го выпуска справочника "Кто есть кто в робототехнике"

Ситуация телевизионного наблюдения в условиях сложного освещения наблюдаемых сюжетов и/или сложной яркости объектов встречается неоднократно. Примерами таких условий могут служить: наблюдение через окно или на фоне открытых дверей, когда нужно одновременно различать объекты на улице и в комнате; наблюдение процесса дуговой сварки, когда в поле зрения оператора должны находиться одновременно излучающий столб дуги и поверхность холодного металла, покрытая копотью; наблюдение против рассеянного солнечного света; наблюдение на фоне бликов, фонарей освещения и прочее. Эти условия создают априорную неопределённость телевизионного наблюдения для оператора и в зарубежных публикациях обозначаются «Back light», что в переводе с английского означает «задний свет» или «против света». Прямым следствием априорной неопределённости наблюдения является «поведение» в телекамере устройства автоматической регулировки чувствительности (АРЧ). Действие устройства АРЧ, которое распространяется на все элементы фотомишени матрицы ПЗС, по любому из трёх регулируемых параметров, а именно: относительному отверстию объектива, времени накопления, коэффициенту усиления видеотракта, вызывает ограничение динамического диапазона телекамеры снизу. Происходит ограничение градаций яркости для тёмных и/или слабо освещённых деталей передаваемого камерой изображения, т. к. видеосигнал от них может либо существенно уменьшиться, либо быть вовсе утерянным. Этот уровень видеосигнала можно практически восстановить в ручном режиме работы телекамеры путём смещения порога срабатывания АРЧ, либо выбрав необходимую область фотометрирования АРЧ, т.е. ограничив оцениваемую площадь зарядового рельефа на мишени. Однако такой приём приводит к неизбежному ограничению динамического диапазона телекамеры сверху. 

Необходимо отметить, что идея борьбы с искажениями видеосигнала в условиях «Back light» в автоматическом режиме известна, и состоит в том, что динамический диапазон телекамеры разбивается на несколько параллельных каналов, а в каждом из них используется преобразователь «свет–сигнал», имеющий устройство смещения светового диапазона. При этом минимальный уровень светового диапазона каждого канала должен соответствовать уровню ограничения светового диапазона предыдущего канала так, что сумма диапазонов всех каналов тракта преобразования равна диапазону яркости и/или освещённости телекамеры. 

Известна аббревиатура «BLC», означающая режим компенсации искажений видеосигнала, сопутствующих данным условиям наблюдения. Организация автоматического «BLC» по цифровому методу была предложена фирмой Matsushita и носит название технологии «super dynamic». Рекламное название точно передаёт смысловую задачу предложенного технического решения, которое направлено на расширение динамического диапазона градаций яркости передаваемого камерой телевизионного изображения. Эта технология реализует в темпе телевизионного стандарта два последовательно-параллельных канала фотоэлектрического преобразования с «длинным» (1/50 с) и «коротким» (1/2000 с) временем экспонирования на единственной матрице ПЗС. 

Базовым результатом этой технологии является изготовление новой матрицы ПЗС с организацией «строчно-кадровый перенос» (СКП), а дополнительно к ней - специализированного процессора цифровой обработки видеосигнала. Однако несомненными издержками технического решения являются: необходимость двукратного повышения частоты построчного и поэлементного переноса в матрице ПЗС и формирование мультиплексированного видеосигнала на её выходе. 

В качестве альтернативы был предложен аналоговый метод автоматического «BLC». Двойное в течение кадра экспонирование фотоприёмника здесь обеспечивается благодаря использованию трёхсекционной матрицы ПЗС с организацией «кадровый перенос» (КП) или с организацией СКП + КП. Преимуществами этого решения следует считать отсутствие операций мультиплексирования и демультиплексирования видеосигнала фотоприёмника, а также отказ по этой причине от цифрового процессора. Но, к сожалению, сегодняшнее состояние российской экономики не позволяет надеяться на быстрое внедрение данного метода. 

Если условия эксплуатации телекамеры на объекте позволяют осуществить предварительно её ориентацию так, чтобы сильно освещённые и/или яркие объекты воспринимались в центральной части её угла зрения, то режим «BLC» может быть реализован на базе двух синхронно и синфазно работающих камерных модулей путём формирования сигнала комбинированного изображения. 

Это изображение является результатом синтеза, изображений вырабатываемых каждым из модулей. В расположенном по центру «окне» комбинированного изображения передаётся центральный фрагмент изображения от одного модуля, а вокруг «окна», т. е. вне его – изображение от другого модуля. При одинаковом масштабе составляющих изображений масштаб комбинированного изображения сохраняется неизменным по всей площади растра. 

Необходимые модули представлены в настоящее время на рынке российскими производителями. Являясь, по сути, бескорпусными камерами, они разработаны на базе ранее освоенных ПЗС-матриц с организацией СКП и имеют АРЧ с оценкой зарядового рельефа (фотометрированием) по выбранной области мишени фотоприёмника. 

Пример телевизионного наблюдения посредством комбинированного изображения приведён на рисунке. Стрелка сверху - изображение в "окне"; стрелка снизу - изображение вне "окна".

Ниже изложено техническое решение поставленной задачи. Структурная схема телекамеры изображена справа. Телекамера содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив (1) и светоделитель (2), первый датчик телевизионного сигнала (3), второй датчик телевизионного сигнала (4) и коммутатор-смеситель (5).

Входное оптическое изображение по оптическому пути: объектив (1), вход светоделителя (2), первый выход светоделителя (2) проецируется на фотомишень первого датчика (3). Одновременно это изображение по другому оптическому пути: объектив (1), вход светоделителя (2), второй выход светоделителя (2) проецируется на фотомишень второго датчика (4).

Фотоэлектрическое преобразование оптического изображения каждого из датчиков в соответствующие видеосигналы проводится с использованием АРЧ. Основным регулируемым параметром АРЧ является время накопления фотоприёмника на ПЗС, а дополнительным параметром - коэффициент усиления видеоусилителя.

Отметим, что оба датчика работают в режиме синхронизации по частоте и фазе кадровой и строчной развёрток от сигнала синхронизации приёмника (ССП) датчика (3).

Для АРЧ каждого из датчиков предусмотрена предустановка разных и взаимоисключающих областей фотометрирования, которые показаны на рисунке. Для датчика (3) областью фотометрирования является центральная область его фотомишени (см. рис. 3 - левая часть), а для датчика (4) – вся область его фото-мишени минус центральная (см. рис. 3 - правая часть). Отметим, что размеры и местоположение области фотометрирования датчика (3) определяют размещение в кадре сигнала «окошко», а, следовательно, площадь «окна» и его положение в комбинированном изображении.

Для наблюдаемого в нашем примере сюжета (см. рис. 1) в пределах выбранных областей фотометрирования телекамера автоматически установит различные, но оптимальные показатели времени накопления каждого из фотоприёмников и коэффициента усиления для их видеосигналов. Здесь эти параметры удовлетворяют соотношениям: Tн1 < Tн2; Kу1 < Kу2, где Tн1, Kу1 и Tн2, Kу2 – длительность накопления, коэффициент усиления видеоусилителя соответственно для датчика 3 и для датчика 4. В результате без искажений в нужных фрагментах будут подготовлены телевизионные сигналы от обоих датчиков. Формирование видеосигнала комбинированного изображения обеспечивается в блоке (5), где по управляющему сигналу «окошко» последовательно коммутируются сигналы от обоих датчиков. 

В предлагаемом решении для тёмных и/или низко освещённых объектов энергия полезного сигнала увеличивается в (Tн1/Tн2)2 раз, а энергетический шумовой порог при условии равенства дисперсий шума преобразователей «заряд–напряжение» фотоприёмников уменьшится в (Kу1/Kу2)2 раз. Следствием этого становится выигрыш в отношении сигнал/шум. По докладу Смелкова В. М. на XIV Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение» 

"Черный ящик" в автомобиле: технологии западных автоконцернов "отрихтуют" водителей  - http://www.liveinternet.ru/users/albrs/post402370094/