Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы применения и технические недостатки систем телевизионного наблюдения прикладного назначения 12
1.1. Основные факторы, влияющие на развитие российского рынка CCTV 12
1.2. Современные технические средства охраны периметров 20
1.3. ГОСТ Р51558-2000 -новый стандарт российских СОТ 33
1.4. Оценка телевизионной камеры на фотоматрице ПЗС как источника информации с позиции современной теории связи 40
1.5. Современная классификация фотоматриц с переносом заряда 48
1.6. Выводы и постановка задачи 54
Глава 2. Исследование отдельных параметров и характеристик фотоматриц ПЗС применительно к задачам ПТУ и СОТ 59
2.1. Определение эквивалентной схемы фотоматрицы ПЗС 59
2.2. Организация режима ненаправленного переноса зарядов в матрице ПЗС и ее эквивалентная схема в этом режиме 72
2.3. Оценка пределов регулирования времени накопления 77
2.4. Оценка пределов регулирования считывающей апертуры 92
2.5. Оценка динамической разрешающей способности фотоматрицы ПЗС 94
2.6. Выводы 102
Глава 3. Разработка методов повышения информационных параметров телевизионных камер на ПЗС для ПТУ и СОТ 105
3.1. Метод автоматической компенсации искажений от засветок объекта сзади 105
3.2. Методы минимизации искажений телевизионной камеры в условиях световой перегрузки 119
3.3. Метод локального контрастирования изображения при помощи матрицы ПЗС 133
3.4. Методы временного «сжатия» видеосигналов и электронной «сшивки» изображений 147
3.5. Метод автоматического экспонирования ПЗС в режиме однократного формирования сигнала изображения 158
3.6. Метод формирования изображения интерферограммм 183
3.7. Метод оптико-электронного масштабирования изображения 191
3.8. Выводы 211
Глава 4. Разработка методов повышения информационной способности обнаружителей движения на ПЗС 214
4.1. Оценка условий автоматической регистрации динамичных объектов обнаружителем движения на ПЗС 214
4.2. Метод регистрации изменений на основе двух ПЗС-фотоприемников 219
4.3. Метод зарядовой фильтрации при выполнении межкадровой обработки 229
4.4. Выводы 235
Глава 5. Промышленное внедрение предложеннных методов 237
5.1. Первая отечественная промышленная телевизионная установка с камерой на ПЗС ПТУ «Матрица» .237
5.2. Телевизионная система скрытого наблюдения и автоматизированной охраны 242
5.3. Телевизионная система наблюдения за технологическим процессом в химически агрессивной среде 256
5.4. Телевизионная система наблюдения за горячим прокатом 262
5.5. Выводы и рекомендации 270
Заключение 272
Литература 276
- Современные технические средства охраны периметров
- Организация режима ненаправленного переноса зарядов в матрице ПЗС и ее эквивалентная схема в этом режиме
- Методы минимизации искажений телевизионной камеры в условиях световой перегрузки
- Метод регистрации изменений на основе двух ПЗС-фотоприемников
Введение к работе
Уже второе десятилетие Россия живет в условиях новой экономической реалии, одним из показателей которой является либерализация внутреннего рынка, в т.ч. и купли-продажи систем невещательного (прикладного) телевизионного наблюдения. На российском рынке появилась продукция, как передовых западных фирм, так и отечественных фирм-однодневок, которые во имя собственного обогащения стремятся сбыть здесь ненужные и некачественные изделия.
Другим обстоятельством, бесспорно влияющим на состояние телевизионной техники, является стремительное наступление средств компьютерной обработки сигналов, которым отводится решающая роль в информационной революции на рубеже второго и третьего тысячелетий. В настоящее время на мировом рынке наблюдается настоящий бум по внедрению цифровых технологий в телевизионные системы. По мнению экспертов [1], такой перелом в рыночной ситуации связан, в первую очередь, со следующими факторами:
падением стоимости хранения 1 Мбайта на жестких дисках и других носителях и доступностью мощных вычислительных средств;
развитием и удешевлением аппаратных и программных средств, ориентированных на работу с видеосигналами.
Эти факторы обусловили появление на рынке значительного числа новых телевизионных систем, которые, в зависимости от объема используемых в них технических средств (приборов), стали называть «компьютерными видеосистемами» или «цифровыми системами».
Применяемые в этих системах телевизионные камеры приобрели статус «цифровых камер». Но если в настоящее время отсутствует строгое определение понятия «цифровая камера», то их «верхняя планка» известна. Это сетевые камеры, которые имеют сетевой интерфейс и поддерживают коммуникационные протоколы, позволяющие передавать видеоинформацию в цифровой форме по внутренним (локальным) сетям и Internet. В сетевых камерах реализована концепция «камера-устройство записи» в одном приборе с выполнением видеонакопителя на жестком диске (HDD). Возможности сетевой камеры DSR-C100P фирмы Sanyo (Япония) сообщаются в работе [2]. Это полностью цифровое устройство, с ПЗС-матрицей х/г дюйма, состоящей из 1,5 миллионов пикселей. Емкость HDD - 10,2 Гбайт. При поступлении от извещателя охранной сигнализации сигнала тревоги на вход камеры, на HDD сохраняется информация, собранная в течение 85 минут, предшествующих этому событию (так называемая запись Pre-alarm recording).
По сути, такая камера представляет собой законченный комплекс видеонаблюдения, неразрывно связанный с компьютером. Если к концепции «глаз - это вынесенная наружу часть мозга» давно привыкли, то становится очевидным, что подобная телекамера - это вынесенная наружу часть компьютера [3].
Известно, что телевидение, дополняющее зрение человека, как и его мышление, основано на образах. Новая теория связи [4] утверждает, что только отношение образов даёт познание об истинных отношениях объектов (вещей), поэтому информация является нескалярной величиной, т.к. должна оцениваться не только количественно. Как показано в главе 1 настоящей работы, информационное равновесие, определяемое информационным уравнением, соответствует количеству и качеству информации, необходимой для создания образа объекта.
Информационное уравнение имеет ряд решений, соответствующих" оптимальным системам [4], но не указывает оптимального пути для их достижения. Оптимальными системами могут быть и аналоговые (непрерывные) системы, и дискретно-аналоговые системы, и цифровые системы. Поэтому остаётся полная свобода для изобретательства системы и, следовательно, и для разработчика источника информации телевизионной системы, каковым является датчик телевизионного сигнала, а его типовыми представителями - телекамера и обнаружитель движения на базе матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС). " В настоящей работе синонимом термина «рост нескалярной информации, создаваемой телекамерами и обнаружителями движения, принят термин - «повышение информационной способности» этих приборов. Этому можно дать следующее обоснование. В информационном уравнении информация выражена в энергетических единицах. При этом справедливо считается, что «информация по смыслу ближе к действию в концепции познания, чем физическая энергия» [17]. С другой стороны, словарь русского языка Ожегова даёт толкование термина «способность» и как «умение, а также возможность производить какие-нибудь действия».
Значит, повышение информационной способности телекамер и обнаружителей движения можно толковать как «повышение их возможностей по выполнению функциональных действий (функциональных обязанностей)».
Всё сказанное выше следует дополнить тем, что видеосигнал на выходе матрицы ПЗС имеет дискретно-аналоговую форму, а методы работы с её сигналом изображения в зарядовой форме (до выходного преобразователя «заряд - напряжение») гарантируют торможение шумовой информации независимо от наличия или отсутствия последующего аналого-цифрового преобразования по видео.
Настоящая работа является логическим продолжением кандидатской диссертации автора по применению ПЗС-матриц в аппаратуре промышленного телевидения [20]. Сегодня, в начале нового века, эксплуатационные возможности отечественных промышленных телевизионных установок (ПТУ) значительно возросли. Предлагаются ПТУ, выполняющие телевизионное наблюдение за производством во взрывоопасных и химически агрессивных средах, а также в условиях повышенных температур [94]. ПТУ выполняют неразрушающий контроль качества литья, сварки и других техпроцессов с использованием проникающего рентгеновского излучения [47, 48, 50, 71, 72], контролируют интерференционную картину (интерферограмму) оптических изделий непосредственно при их изготовлении [74,75,76].
Благодаря фотоприёмнику на ПЗС-матрице, в телекамере реализован режим однократного формирования сигнала изображения [68], что позволило ей стать и устройством для телевизионного фотографирования объектов контроля. Телевидение стремительно овладевает охранными функциями [21, 98], а в системах телевизионной охраны (СОТ) появились специализированные датчики телевизионного сигнала - обнаружители движения на ПЗС [15].
В процессе выпуска ПТУ и СОТ изготовитель проводит их испытания [11, 14] по тест-таблицам, которые описываются детерминированными функциями с известной формой. В реальной же ситуации при практической эксплуатации ПТУ и СОТ имеет место априорная (доопытная) неопределенность сюжетов на объекте, воздействующих на видеосигнал телевизионного датчика. Значит, датчик должен быть готов к этой неопределённости и способен её преодолеть.
Постановка проблемы априорной неопределённости сюжета представлена на рисунке В1. Рассмотрим отдельные её примеры.
Априорная неопределённость сюжетов по контрасту на границе объекта и фона имеет место в интроскопии для телекамер ПТУ, контролирующих видимое теневое изображение при радиационном просвечивании объекта с неизвестными характером повреждений (дефектов). Другой областью телевизионного наблюдения с неопределённостью по ансамблю контрастов является контроль интерферограмм оптических устройств, когда на точность их формирования могут повлиять случайные колебания (вибрации), имеющие место в процессе производства.
При эксплуатации ПТУ неоднократно встречается априорная неопределённость сюжетов, наблюдаемых датчиками телевизионного сигнала в широком диапазоне изменения освещённости или яркости контролируемых объектов. Эта ситуация сложной освещённости или сложной яркости возникает для телекамер ПТУ, работающих в зонах контроля расплава стекла или металла; при наблюдении процессов сварки, включая её ведение в автоматическом режиме, и т.д.
На практике это приводит к увеличению в составе ПТУ числа телекамер, наблюдающих «свой сюжет» без искажений.
Если это по экономическим соображениям невозможно, то необходимо согласиться с существенными искажениями в предлагаемой оператору видеоинформации, принимая и полную потерю отдельных фрагментов кадра.
Для СОТ типичным примером появления такой эксплуатационной проблемы можно считать телевизионный контроль за входящими в помещение людьми в яркий солнечный день при помощи охранной телекамеры, размещаемой внутри - напротив входной двери. На рисунке В2, вверху - а) и б), представлены типичные изображения, которые формирует в этой ситуации обычная телекамера на ПЗС с электронным затвором или автоматической диафрагмой. Эти иллюстрации показывают, что современная телекамера на ПЗС, снабженная автоматической регулировкой экспозиции сигнала, к сожалению, не позволяет передать детали изображения. На рисунке В2 а) «потеряны» темные сюжетные участки. Их можно восстановить (см. рисунок В2 б), но ценой потери информации для светлых участков путем изменения порога срабатывания автоматической регулировки при неизменном и ограниченном динамическом диапазоне. На рисунке В2 в) показано ожидаемое изображение от телекамеры с расширенным динамическим диапазоном, которая успешно решает поставленную проблему преодоления априорной неопределенности сюжета.
Цель диссертационной работы заключалась в поиске способов практического исследования и изобретательского моделирования, которые направлены на рост нескалярной информации, создаваемой датчиком телевизионного сигнала в процессе её рождения. При этом имеют место условия ужесточения предъявляемых эксплуатационных требований со стороны объекта контроля, вплоть до возможности ситуации априорной неопределённости сюжета по освещённости.
В первой главе диссертации выполнен экспресс-анализ ситуации на российском рынке систем прикладного телевидения; рассматриваются современные технические средства охраны периметров и мотивация развития отечественной аппаратуры через «призму» внедрения нового стандарта ГОСТ Р511558-2000; даётся оценка телекамеры на фотоматрице ПЗС как источника информации с позиции теории связи; приводится современная классификация фотоматриц; формулируются частные задачи исследования.
Вторая глава посвящена исследованиям характеристик фотоматриц ПЗС применительно к задачам ПТУ и СОТ. В ней определена эквивалентная схема матрицы ПЗС с кадровым переносом в режиме однонаправленного переноса; рассматривается организация в матрице ПЗС режима ненаправленного переноса зарядов и определяется эквивалентная схема фотоприемника в этом режиме; оцениваются пределы регулирования времени накопления и считывающей апертуры; приводится вывод формулы динамической частотно-контрастной характеристики фотоприемника.
В третьей главе диссертации изложены новые методы схемотехнических решений, направленных на повышение информационных параметров телекамер для ПТУ и СОТ. В ней приводится техническое обоснование и реализация метода автоматической компенсации искажений видеосигнала, сопутствующих условиям сложного освещения; метода минимизации искажений изображения при работе в условиях равномерной световой перегрузки фотоприёмника; метода локального контрастирования изображения при помощи матрицы ПЗС; метода временного «сжатия» видеосигналов и электронной «сшивки» изображений; метода автоматического экспонирования ПЗС по видео в режиме однократного формирования сигнала изображения; метода формирования изображения интерферограмм; метода оптико-электронного масштабирования.
В четвертой главе диссертации рассмотрены новые методы повышения информационной способности обнаружителей движения на ПЗС-матрицах для СОТ. В ней дается оценка условий автоматической регистрации динамичных объектов обнаружителем движения; приводится техническое обоснование и реализация метода повышения точности межкадрового вьгаитания путем регистрации изменений на основе двух ПЗС-фотоприемников и метода зарядовой фильтрации при выполнении межкадровой обработки с целью устранения ложных срабатываний от мелких (паразитных) объектов.
В пятой главе диссертации анализируется авторский опыт внедрения отдельных промышленных образцов и серийных изделий телевизионной техники данного направления. В ней приводятся результаты разработки первой отечественной ПТУ на ПЗС - ПТУ «Матрица»; коррозионностойкой телекамеры КТП-236 для телевизионного наблюдения за технологическим процессом в химически агрессивной среде; телевизионной системы наблюдения за горячим прокатом, помогающей оператору в ликвидации трудностей «нехватки времени и рук»; телевизионной системы СТ-О-12 для скрытого наблюдения и автоматизированной охраны; опубликованы экспериментальные данные по оценке требуемого отношения сигнал/ шум для автоматического обнаружения нарушителя системой СТ-О-12.
Современные технические средства охраны периметров
Периметральная граница объекта является наилучшим местом для раннего детектирования вторжения, т.к. нарушитель взаимодействует в первую очередь с физическим периметром и создает возмущения, которые можно зарегистрировать специальными датчиками.
С другой стороны, квалифицированный нарушитель всегда рассчитывает на определенное временное «окно», которое проходит от момента проникновения на объект до момента срабатывания сигнализации.
Минимизация этого интервала времени является коренным фактором, определяющим эффективность любой охранной системы. Отметим, что на особо важных объектах злоумышленник в обязательном порядке должен быть нейтрализован до того момента, когда он выполнит намеченную акцию.
В работе [3] обнаружение определяется как раскрытие действий, совершаемых нарушителями. К функции обнаружения относится оповещение с помощью технических средств о тайных или явных действиях нарушителя. Эффективность выполнения функции обнаружения измеряется с помощью таких характеристик, как вероятность обнаружения и время, необходимое для передачи сигнала тревоги и оценки достоверности сигнала тревоги. Обнаружение осуществляется в два этапа: первичное обнаружение датчиком и системное обнаружение оператором системы обнаружения. В связи с этим вероятность обнаружения подразделяется на первичную (определяемую датчиком) и системную.
Тактика защиты периметра может быть открытой и скрытной, а датчики технических средств обнаружения (ТСО) основаны на самых разных физических принципах и типах чувствительных элементов, воспринимающих воздействие нарушителей при пересечении их чувствительных зон.
Однако все периметровые ТСО могут быть отнесены к одному из двух основных типов. К заградительным ТСО относятся средства, чувствительные элементы которых установлены на ограждениях специальной конструкции. Отличительные особенности таких ТСО - создание для нарушителей препятствия, заставляющего использовать при преодоления рубежа ТСО способы перелезания через ограждения или проделывать в нем отверстия. Незаградительные ТСО имеют свободную для движения нарушителей чувствительную зону, обычно примыкающую к ограждению, стене и т. п.
По физическому принципу действия используемых чувствительных элементов периметровые ТСО могут быть разделены на 13 типов [8]:
Зависимость системной вероятности обнаружения Рр) от времени оценки по сути является нормированной автокорреляционной функцией случайного процесса (t). При модулировании систем защиты считается, что поток вторжений (момент t0) случаен, но каждое из вторжений имеет примерно известную длительность, равную интервалу корреляции т процесса (t). Статистика случайного процесса такова, что знание его значения в удалённый момент времени даёт тем меньше информации, чем больше интервал времени между данными моментами. Взаимосвязь системной вероятности обнаружения и времени оценки выражается графиком, приведённым на рисунке 1.2.1, который опубликован в [3].
Отсюда следует, что большое время, потраченное на проверку истинности сигнала тревоги и оценку ситуации, сводит на нет все усилия по охране объекта. нарушителя и устойчивость к ложным тревогам. Именно по функциональным критериям следует в первую очередь осуществлять сравнение и выбор образцов ТСО. Количественные показатели для функциональных критериев - это вероятность обнаружения нарушителей и частота ложных тревог.
Показатели вероятности обнаружения и частоты ложных тревог находятся в прямой зависимости: повышение вероятности обнаружения конкретного образца ТСО достигается снижением порога обнаружения полезных сигналов на фоне помех, что приводит к повышению частоты ложных тревог. И наоборот, снижение частоты ложных тревог приводит к уменьшению вероятности обнаружения. Как показали исследования и практика [8], на вероятность обнаружения нарушителей конкретным типом ТСО влияет в первую очередь способ его преодоления нарушителями, а на частоту ложных тревог ТСО - вид возмущающего внешнего фактора, оказывающего воздействие на чувствительный элемент и формирование помехового сигнала.
Добиться улучшения этих показателей или одного из них при фиксированном значении другого потенциально можно реализацией сложных алгоритмов обработки сигналов, осуществляющих распознавание полезных сигналов на фоне помех путем анализа их тонкой структуры. При этом имеем с одной стороны, многовариантность нарушителей и характера их действий при преодолении ТСО, а следовательно, и форм полезных сигналов на выходе чувствительных элементов, а с другой - не менее огромное разнообразие и нерегулярность помеховых воздействий на них как природного, так и искусственного происхождения, которые делают проблему создания ТСО с двумя высокими функциональными показателями весьма
Организация режима ненаправленного переноса зарядов в матрице ПЗС и ее эквивалентная схема в этом режиме
Выше рассматривался перенос зарядов, предназначенный для осуществления в матрице ПЗС «механизма» самосканируемой развёртки. По характеру движения зарядов этот перенос является однонаправленным. Поэтому представленная на рисунке эквивалентная схема фотоматрицы ПЗС должна быть отнесена к режиму однонаправленного переноса зарядов (ОНПЗ). Однако, как показано ниже, практическое применение может найти и другой режим переноса зарядов - ненаправленный (ННПЗ).
Для его реализации в трёхфазной структуре ПЗС необходимо выполнить следующее [27]. Допустим, что потенциальные ямы сформированы под вторыми фазовыми электродами одного из массивов
ПЗС (рисунок 2.2.1а). Затем одновременно на все (три) фазовые выводы массива подают импульс, амплитуда которого равна амплитуде управляющих импульсов при ОНПЗ. При этом находящиеся в ПЗС зарядовые пакеты начинают ненаправленно растекаться в общей потенциальной яме (рисунок 2.2.26).
Для режима ННПЗ известное нелинейное уравнение, описывающее изменение поверхностной концентрации неосновных носителей (дырок) р (х, t) [22], упрощается за счёт исключения влияния краевых полей и приводится к виду:
В правой части (2.2.1) первый член обусловлен самоиндуцированным дрейфом и является нелинейным, второй - линеен и вызван тепловой диффузией. Замечательной особенностью этого режима в матрице ПЗС с кадровым переносом является возможность раздельного осуществления ННПЗ по вертикали и горизонтали.
Рассмотрим эту процедуру. Сигналы изображения в виде зарядовых пакетов формируются в секции накопления оптическим путём или электрическим через входное устройство и верхний регистр. Затем зарядовые пакеты смещаются в секцию хранения. Здесь производится ННПЗ по вертикали. Для этого на затворы первой и третьей фазы секции хранения, под которыми отсутствуют потенциальные ямы, подаётся импульс напряжения длительностью tn, вызывающий формирование проводящих каналов. На эквивалентной схеме - рисунок 2.2.3, соответствующей линейному приближению ННПЗ, это отображается замыканием ключей Si, соединяющих ёмкости Сп потенциальных ям ячеек секции памяти через сопротивление каналов Rn.
При считывании сигналов изображения заряды из секции памяти построчно смещаются в нижний регистр, где осуществляется ННПЗ по горизонтали путём подачи импульса длительностью tp на затворы первой и третьей фаз нижнего регистра. На эквивалентной схеме рисунок 2.2.3 это отображается замыканием ключей S2, соединяющих ёмкости Ср потенциальных ям ячеек нижнего регистра через сопротивления каналов Rp.
При помощи рассмотренного выше ННПЗ по вертикали и горизонтали можно реализовать некаузальный низкочастотный по координатам X и Y фильтр. Пространственный коэффициент передачи двухмерного фильтра [28]: Из выражения (2.2.2) следует, что фильтр имеет некаузальную, разделяющуюся и независимо регулируемую по двум переменным характеристику. Значения параметров Сп, Rn, Ср и Rp могут быть найдены из соотношений удельной погонной ёмкости и нелинейного сопротивления в нелинейной распределённой RC-структуре [28]:
Характер управления частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ) матрицы ПЗС в режиме ННПЗ показан на рисунке 2.2.2. В разделе 3.3 настоящей работы рассмотрен практический метод повышения информативности изображения ПЗС-телекамеры, основанный на применении в матрице режима двухмерного ННПЗ.
Расчёт диапазона перестройки времени накопления будем производить, используя эквивалентную схему фотоматрицы (см. рисунок 2.1.4). Выбор максимальной величины времени накопления Тн ограничен темновым зарядом, «собираемым» в течение интервала фотоинтегрирования сначала в секции накопления, а затем, за этот временной промежуток, - в секции хранения. Фактически темновой «вклад» интервала накопления определяет темновой заряд кадра, т.к. темновой составляющей за интервал кадрового переноса Тп можно пренебречь в связи с тем, что Тп « Тн.
Необходимо отметить, что при оценке максимального времени накопления можно исключить из рассмотрения темновую составляющую выходного регистра, т.к. зарядовые пакеты строк удерживаются там в статичном состоянии максимум только в течение обратного хода по строке.
Как было отмечено в разделе 2.1, основной вклад в процесс термогенерации вносят две составляющие - поверхностная и объёмная, плотность которых экспоненциально зависит от температуры. В работе [23] установлено, что при увеличении температуры на каждые 8С плотность темнового тока (I) удваивается. Поэтому темновой заряд, собираемый в элементе п-строки за интервал накопления, можно рассчитать по формуле:
Методы минимизации искажений телевизионной камеры в условиях световой перегрузки
Условия наблюдения Back light справедливо считаются сложными условиями для работы телевизионной камеры из-за резко контрастной освещённости самой яркой и самой тёмной детали наблюдаемого объекта. Однако и при отсутствии «заднего света», в условиях равномерной естественной или искусственной подсветки объектов и территорий, качество работы телевизионной камеры зависит от наличия световой перегрузки. Например, освещённость светлых поверхностей под прямым солнцем составляет более 100000 люкс. Освещённость бликов от блестящих поверхностей и воды может доходить до 106 люкс, а эквивалентная освещённость диска солнца, по некоторым оценкам, достигает 108 люкс, т. е. 100 миллиардов люкс.
Влияние объектива. Способность телевизионной камеры выдерживать световые перегрузки в значительной степени определяется объективом.
Различие характеристик объективов даже в рамках одного класса очень велико. В паспортных данных обычно указывается минимальное относительное отверстие диафрагмы объектива, которое находится в пределах FM„„ = 32..,360. Диапазон регулирования освещённости с помощью диафрагмы равен квадрату отношения минимального и максимального относительных отверстий.
Для стандартных объективов максимальное относительное отверстие FMaicc = 1,2. Учитывая, что максимальная рабочая освещённость, пересчитанная на объект при времени накопления 20 мс (выключенный режим электронного затвора) и при этой диафрагме, составляет примерно 20 люкс, можно определить максимально допустимую освещённость, которая обеспечивается данным объективом.
Результаты расчёта максимальной освещённости, по данным [41], приведены в таблице Из таблицы 3.2.1 следует, что простые АРД-объективы с относительными отверстиями FMIIH = 32 и FMIIH = 64 непригодны для использования при ярком солнечном свете. Следует отметить, что для надёжной работы камеры в условиях световых перегрузок необходим не только широкий диапазон регулирования, но и линейность регулирования, особенно на конечном участке, когда диафрагма объектива почти закрыта. При недостаточной линейности возможно самовозбуждение (мигание изображения) в системе камера - объектив при максимальных уровнях освещённости. К сожалению, регулировочная характеристика, как правило, не приводится в паспортных данных на объективы.
Влияние режима ПЗС-матрицы. Другим фактором, определяющим способность телевизионной камеры выдерживать световые перегрузки, является схема АРЧ и режим работы ПЗС-фотоприёмника.
Автором настоящей работы было предложено в 1994 г. новое аналоговое устройство АРЧ, которое признано изобретением [42]. Ее технический результат - повышенная помехоустойчивость, достигаемая введением гистерезиса в процесс сравнения измеряемой величины (видеосигнала) с линейно изменяющимся в течение прямого хода по кадру опорным напряжением.
В 1995 г. в соавторстве с В. В. Сергеевым, А. И. Левиным и С. Б. Торициным было разработано цифровое устройство АРЧ с другим новым результатом, а именно: повышенной точностью отсчета интервала накопления путём устранения ошибки в выборе направления регулирования с одновременным снижением инерционности регулирования, которое также признано изобретением [43].
Однако для матрицы ГОС с организацией «КП» последовательное увеличение освещённости фотоприёмника, которое при использовании в телекамере электронного затвора сопровождается соответствующим уменьшением времени накопления в пределах неизменного кадра, приводит к физической возможности образования паразитных зарядов в секции хранения фотоприёмника. Основные причины появления этих зарядов рассмотрены в главе 2, но следует учитывать и другие факторы.
В первых промышленных образцах ПЗС-матриц защита секции хранения от засветки осуществлялась путём установки внешнего экрана (шторки) на защитном стекле матрицы. В этом случае паразитный заряд в секции хранения образуется, в первую очередь, из-за переотражений от защитного стекла. Казалось бы, что при нанесении экрана непосредственно на поверхность кристалла секции хранения ПЗС эти причины будут устранены. На практике же этого оказывается недостаточно, т. к. в условиях световых перегрузок формирование паразитного сигнала в секции хранения оказывается возможным из-за переотражений света и диффузии зарядов в кремниевой подложке из секции накопления, а также по другим причинам, изложенным ниже.
По мере считывания очередного информационного кадра (полукадра) с частотой строк из секции хранения в её верхней части образуются строки, свободные от информационных зарядов. В потенциальных ямах этих строк происходит накопление паразитных зарядов. К концу считывания информационного кадра (полукадра) все строки секции хранения содержат паразитные заряды, но распределение этих зарядов по площади секции неравномерно. Наибольший паразитный заряд содержат нижние строки секции хранения, т. к. суммарное время накопления носителей зарядов, там оказавшихся, превышает время накопления для остальных строк, которые расположены выше их.
Для борьбы с указанным явлением предлагается новый способ формирования сигнала изображения в ПЗС-фотоприёмнике [44]. Его отличительные признаки состоят в следующем: в выполнении переноса информационных зарядов из секции накопления в секцию хранения на заключительной части интервала обратного хода кадровой развёртки с выполнением сответствующей временной задержки интервала накопления информационных зарядов; в выполнении очистки секции хранения от паразитных зарядов за счёт их переноса с частотой кадрового (полукадрового) выноса в выходной регистр в интервале обратного хода кадровой развёртки, предшествующем переносу информационных зарядов.
Следует отметить, что матрица ПЗС с современной схемотехнической организацией «КП» включает последовательно связанные зарядовой связью секцию накопления, секцию хранения, выходной регистр, а также антиблюминговую (стоковую) область, расположенную на мишени фотоприёмника. Затвор GA антиблюминговой области является «электронным» затвором ПЗС. Для фотоприёмника с п-каналом, если на затворе GA присутствует низкий (относительно подложки) потенциал, последний закрыт, а потенциальные ямы под фазными электродами секции накопления изолированы от стоковой области за счёт этого барьерного смещения. При этом на самой мишени идёт процесс сбора зарядовых носителей (фотоэлектронов). Когда на затвор GA подаётся высокий потенциал, то потенциальный барьер снимается, затвор открывается, а на мишени исключается процесс накопления фотоэлектронов. Это объясняется
Метод регистрации изменений на основе двух ПЗС-фотоприемников
Долгое время - вплоть до 70-х годов XX столетия - самым сложным элементом устройств межкадровой обработки видеосигнала оставалось кадровое запоминающее устройство (ЗУ). Новые возможности открылись в середине 70-х годов при появлении ПЗС. Они обладали в то время наибольшей плотностью упаковки элементов и позволяли создать блок кадровой памяти ёмкостью в несколько мегабит на одной печатной плате средних размеров.
Было обращено внимание, что в качестве кадровой памяти можно использовать матрицы ПЗС, одинаковые с фотоприёмной по структуре и числу элементов. В этом случае предельно упрощаются схемы обслуживания кадрового ЗУ, а для управления запоминающей матрицей ПЗС используются те же последовательности импульсов, что и для фотоприёмной. В работе [15] предложен обнаружитель движения, который по сути представляет собой простую телекамеру с межкадровым вычитанием, выполненную на двух одинаковых матрицах ПЗС. Сигнал изображения с выхода первой (фотоприёмной) матрицы ПЗС через усилитель поступает на электрическоевходное устройство второй (запоминающей) матрицы ПЗС, задерживаясь в ней на время, равное длительности телевизионного кадра. Текущий и задержанный сигналы изображения с выходов матриц через усилители поступают на входы дифференциального усилителя (блока вычитания), на выходе которого образуется сигнал межкадровой разности.
Недостатком обнаружителя является ограниченная точность регистрации подвижных объектов из-за высокой ошибки межкадрового вычитания, которая не маскируется в шумах фотоприёмника. Максимальнаяотносительная ошибка вычитания Дм в макс. этого обнаружителя [15, с.81]:
Основными факторами этой ошибки являются неэффективность переноса зарядов по горизонтали и вертикали во второй матрице ПЗС и нелинейность выполняемого в её входном устройстве преобразования«напряжение - заряд». Измеренное значение АМБ Макс в этом обнаружителесоставляет 2% [15, с.77].
Автором настоящей работы разработано и запатентовано техническое решение обнаружителя движения на основе двух ПЗС-матриц [90], в котором повышена точность регистрации подвижных объектов за счёт уменьшения ошибки межкадрового вьиитания. Технический результат обнаружителя в части уменьшения ошибки межкадрового вычитания достигается за счёт снижения погрешностей формирования задержанного видеосигнала путём организации для второй матрицы ПЗС режима фотоприёмника с возможностью хранения в ней зарядового рельефа кадра в течение интервала времени, равного Тк х п, где Тк - период кадров (40 мс), an- целое число , до выполнения межкадрового сравнения.
В предлагаемом обнаружителе максимальная относительная ошибкавычитания Амвмакс может быть оценена по соотношению:При выборе матриц ПЗС из одной партии ошибка А макс посоотношению (4.2.2) существенно меньше ошибки Амв макс по соотношению (4.2.1).
Устройство и работа обнаружителя. На рисунке 4.2.1 представлена структурная схема обнаружителя, которая содержит объектив 1, светоделитель 17, две матрицы ПЗС поз. 2 и поз. 3, каждая из которых состоит из последовательно связанных зарядовой связью секции 2-1 (3-1) накопления, секции 2-2 (3-2) хранения и выходного регистра 2-3 (3-3), а также первый - поз. 4, второй - поз. 5, третий - поз. 6, четвёртый - поз. 7, пятый - поз. 8 и шестой - поз. 9 преобразователи уровней (ПУ), первый -поз. 10 и второй - поз. 11 видеоусилители, синхрогенератор 12, блок 13 вычитания, компаратор 14, селектор 15 импульсов по длительности, формирователь 16 сигнала тревоги, первый формирователь импульсов (ФИ) -поз. 18, второй ФИ 19 и третий ФИ 20.
Обнаружитель работает следующим образом. Изображение наблюдаемого пространства проецируется на входное окно светоделителя 17, а далее при помощи полупрозрачного зеркала 17-1 и отражающего зеркала 17-2 - на фотомишени 2-1 и 3-1 обеих матриц ПЗС. Будем вести изложение со ссылкой на общую временную диаграмму работы обнаружителя, представленную на рисунке 4.2.2, где приведены следующие эпюры:
Матрица 2 ПЗС работает в режиме чересстрочного накопления. При этом в течение активной части первого поля 1-го кадра высокое относительно подложки смещение действует под первыми фазовыми электродами секции 2-1 (см. рисунок 4.2.2 а), а в течение активной части второго поля этого же кадра - под вторыми фазовыми шинами фотомишени 2-1 (см. рисунок 4.2.2 б), обеспечивая в потенциальных ямах под ними фотогенерацию информативных зарядов. В это время на третьим фазные шины секции 2-1 подаётся низкий потенциал, близкий к потенциалу подложки матрицы 2 ПЗС, что исключает образование под ними потенциальных ям. В пассивных интервалах каждого из полей 1-го кадра информативные заряды переносятся в секцию 2-2.
В течение первого поля 1-го кадра матрица 3 ПЗС синхронно с матрицей 2 ПЗС накапливает информативные заряды под первыми фазовыми электродами секции 3-1 (см. рисунок 4.2.2 и), которые далее переносятся в секцию 3-2. В секции 3-2 затем осуществляется длительное хранение этих зарядовых пакетов под вторыми фазными шинами (см. рисунок 4.2.2 н). Интервал хранения задаётся импульсным сигналом с первого выхода ФИ 18, а его величина составляет Тк х п, где Тк период кадров, an- целое число. Минимальная величина интервала хранения составляет Тк (см. рисунок 4.2.2 ж), что соответствует межкадровому сравнению двух смежных кадров.
В интервале хранения в секции 3-2 информативного заряда, накопленного в первом поле 1-го кадра, в секции 3-1 под вторыми фазовымиэлектродами производится длительное накопление нового зарядового рельефа (см. рисунок 4.2.2 г), который в настоящем решении не несёт информации и может быть назван «ложным» рельефом. В течение активной части второго поля 2-го кадра информативный заряд 1 -го кадра из секции 3-2 через выходной регистр 3-3 считывается на выход второй матрицы ПЗС, а одновременно на выход первой матрицы ПЗС считывается информативный заряд 2-го кадра. В результате в это время в блоке 13 вычитания осуществляется сравнение 1-го и 2-го кадров. В интервале сравнения информации 1-го и 2-го кадров в секции 3-1 под вторыми фазовыми электродами (см. рисунок 4.2.2 к) продолжается накопление «ложного» зарядового рельефа. В последующем 3-ем кадре «ложный» зарядовый рельеф во время пассивной части первого поля переносится в секцию 3-2, очищая фотомишень 3-ій подготавливая её к приёму информативных зарядов.
Далее в интервале накопления в секции 3-1 нового - 3-го информативного кадра (во время активной части первого поля), в секции 3-2 производится её очистка от «ложного» зарядового рельефа путём построчного выноса зарядов в регистр 3-3. Формирование трёхфазных циклограмм управления секциями 3-1 и 3-2 второй матрицы ПЗС осуществляется соответственно в ФИ 19 и в ФИ 20 со стробированием от ФИ 18.
В случае, когда произошло движение объекта контроля, на выходе блока 13 вычитания в интервале сравнения информации 1-го и 2-го кадров, 3-го и 4-го кадров. 5-го и 6-го кадров и т. д., появится сигнал, отличный от нулевого. Если этот сигнал по абсолютной величине превышает верхнюю Uoni или нижнюю иоЛ2 точки опрокидывания компаратора 14, то последний скачкообразно изменяет напряжение на выходе. Отметим, что в интервале
