RU2673453C1 - Method for forming video signal of "ring" frame in television camera for panoramic computer observation under complicated conditions of complex lighting and/or brightness of objects - Google Patents
Method for forming video signal of "ring" frame in television camera for panoramic computer observation under complicated conditions of complex lighting and/or brightness of objects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2673453C1 RU2673453C1 RU2017140752A RU2017140752A RU2673453C1 RU 2673453 C1 RU2673453 C1 RU 2673453C1 RU 2017140752 A RU2017140752 A RU 2017140752A RU 2017140752 A RU2017140752 A RU 2017140752A RU 2673453 C1 RU2673453 C1 RU 2673453C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ring
- target
- photodetector
- charge
- elements
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение является техническим решением по категории «способ» и имеет отношение к панорамному компьютерному наблюдению, которое выполняется при помощи монохромной или цветной телевизионной камеры кругового обзора в области, близкой к полусфере, выполненной на базе «кольцевого» сенсора («кольцевого» фотоприемника).The present invention is a technical solution in the category of "method" and relates to panoramic computer observation, which is performed using a monochrome or color television circular camera in the area close to the hemisphere, made on the basis of the "ring" sensor ("ring" photodetector).
Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению следует считать способ формирования видеосигнала «кольцевого» кадра [1], в монохромной или цветной телевизионной камере для панорамного компьютерного наблюдения, заключающийся в том, что устанавливают телевизионную камеру в фиксированное положение, осуществляют захват оптического изображения в телевизионной камере с угловым полем в пространстве предметов 360° по азимуту, в «кольцевом» фотоприемнике телевизионной камеры, изготовленном по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), который выполнен на кристалле в виде кругового кольца, имеет схемотехническую организацию «кольцевой строчный перенос» и состоит из связанных последовательно зарядовой связью «кольцевой» фотоприемной области (мишени) и «кольцевого» регистра сдвига, заканчивающегося блоком преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН) с организацией «плавающая диффузия», при этом на мишени линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, а число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига, причем на мишени площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов различны от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига, накапливают зарядовое изображение информационного кадра на светочувствительных элементах мишени в соответствии с управляющим напряжением для автоматической регулировки времени накопления (АРВН) фотоприемника, осуществляют «кольцевую» развертку зарядового изображения на мишени с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре сдвига и формированием на выходе БПЗН напряжения аналогового сигнала изображения наблюдаемого пространства, причем в процессе получения видеосигнала сенсора управляют площадью считывающей апертуры за счет того, что от строки к строке изменяют период управляющих импульсов Тr, (импульсов сброса) для БПЗН по соотношению:The closest in technical essence of the claimed invention should be considered a method of generating a video signal of the "ring" frame [1], in a monochrome or color television camera for panoramic computer surveillance, which consists in installing the television camera in a fixed position, capturing an optical image in a television camera with an angular field in the space of objects 360 ° in azimuth, in the "annular" photodetector of a television camera made by the technology of devices with charge communication (CCD), which is made on a chip in the form of a circular ring, has the circuit organization “ring horizontal transfer” and consists of a “ring” photodetector region (target) connected in series by charge communication and a “ring” shift register ending in the charge - conversion unit voltage "(BPS) with the organization" floating diffusion ", while on the target line of photosensitive elements, alternating with lines of shielded from light elements, are located along radial directions from the imagination the center of the circular ring to its outer periphery and the “ring” shift register located there, and the number of elements in each “ring” line of the target is equal to the number of elements in the “ring” shift register, and on the target the area of the photosensitive elements and the equal area of the screened elements are different from line to line, increasing as you move to the outer periphery to a maximum value not exceeding the area of the element of the "circular" shift register, the charge image of the information frame is accumulated the photosensitive elements of the target in accordance with the control voltage for automatic adjustment of the accumulation time (ARVN) of the photodetector, carry out a “ring” scan of the charge image on the target, followed by element-wise reading of the charge packets in the “ring” shift register and the formation of the voltage of the analog image signal of the observed space at the output of the SPS moreover, in the process of obtaining the video signal of the sensor, the area of the reading aperture is controlled due to the fact that from row to row change the period of the control pulses T r , (reset pulses) for the overvoltage protection device according to the ratio:
где Тp - период считывания элемента в «кольцевом» фотоприемнике;where T p is the reading period of the element in the "ring"photodetector;
nm - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике, равна отношению:n m is a coefficient, an integer whose value for the current read line in the "ring" photodetector is equal to the ratio:
где Δ1 и Δm - соответственно площадь светочувствительного элемента для первой и текущей строк считывания в «кольцевом» фотоприемнике,where Δ 1 and Δ m are, respectively, the area of the photosensitive element for the first and current read lines in the "ring" photodetector,
обеспечивая одинаковую величину площади считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра фотоприемника, преобразуют аналоговый видеосигнал в цифровой видеосигнал.providing the same size of the area of the reading aperture within the entire "ring" raster of the photodetector, the analog video signal is converted to a digital video signal.
Способ формирования видеосигнала в прототипе [1] обеспечивает выравнивание разрешающей способности «кольцевого» изображения, предлагаемого компьютерным операторам-пользователям.The method of generating a video signal in the prototype [1] provides equalization of the resolution of the "ring" image, proposed to computer operators, users.
Однако при работе в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов, когда высокой освещенности (яркости) на одних участках поля зрения сопутствует низкая освещенность (яркость) на других его участках, реализованный в телевизионной камере способ формирования видеосигнала прототипа [1] не справляется с ситуацией.However, when working in conditions of complex illumination and / or complex brightness of objects, when high illumination (brightness) in some parts of the field of view is accompanied by low illumination (brightness) in other parts of it, the prototype video signal generation method implemented in the television camera [1] cannot cope with situation.
Это объясняется тем, что в этих условиях АРВН, выполняя отсчет управляющего напряжения при помощи амплитудного детектора по пиковому или по среднему значению видеосигнала, пропорциональному освещенности мишени фотоприемника, распространяет свой полученный результат, а именно: длительность времени накопления, - на все элементы (пикселы) мишени.This is explained by the fact that under these conditions, the ARVN, performing a control voltage count using an amplitude detector according to the peak or average value of the video signal proportional to the illumination of the target of the photodetector, extends its result, namely: the length of the accumulation time, to all elements (pixels) the target.
Недостаток способа формирования видеосигнала в прототипе [1] заключается в том, что возникает режим ограниченного накопления (по времени) для тех участков панорамного изображения, которые контролируются при низкой освещенности (яркости) соответствующих им объектов.The disadvantage of the method of generating a video signal in the prototype [1] is that there is a limited accumulation mode (in time) for those parts of the panoramic image that are controlled in low light (brightness) of the objects corresponding to them.
Задачей изобретения является организация в автоматическом режиме повышения чувствительности для этих фрагментов «кольцевого» кадра путем увеличения для них времени накопления.The objective of the invention is the organization in the automatic mode of increasing sensitivity for these fragments of the "circular" frame by increasing the accumulation time for them.
Поставленная задача в заявленном способе формирования видеосигнала «кольцевого» кадра решается тем, что устанавливают телевизионную камеру в фиксированное положение, осуществляют захват оптического изображения в телевизионной камере с угловым полем в пространстве предметов 360° по азимуту, в «кольцевом» фотоприемнике телевизионной камеры, изготовленном по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), который выполнен на кристалле в виде кругового кольца, имеет схемотехническую организацию «кольцевой строчный перенос» и состоит из связанных последовательно зарядовой связью «кольцевой» мишени и «кольцевого» регистра сдвига, заканчивающегося БПЗН с организацией «плавающая диффузия», при этом на мишени линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, а число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига, причем на мишени площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов различны от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига, накапливают зарядовое изображение информационного кадра на светочувствительных элементах мишени в соответствии с управляющим напряжением для АРВН фотоприемника, осуществляют «кольцевую» развертку зарядового изображения на мишени с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре сдвига и формированием на выходе БПЗН напряжения аналогового сигнала изображения наблюдаемого пространства, причем в процессе получения видеосигнала сенсора управляют площадью считывающей апертуры за счет того, что от строки к строке изменяют период управляющих импульсов Тr для БПЗН по соотношениям (1, 2), обеспечивая одинаковую величину площади считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра фотоприемника, преобразуют аналоговый видеосигнал в цифровой видеосигнал, отличающийся тем, что «кольцевая» мишень фотоприемника разделена на изолированные друг от друга фотоприемные области, которые при параллельно действующем управлении, имеют форму в виде части кругового кольца, а их число k определяется соотношением:The problem in the claimed method of generating a video signal of a "ring" frame is solved by setting the television camera in a fixed position, capturing an optical image in a television camera with an angular field in the space of objects 360 ° in azimuth, in the "ring" photodetector of a television camera made by technology of charge-coupled devices (CCD), which is made on a chip in the form of a circular ring, has the circuitry organization “ring horizontal transfer” and consists of connected sequentially by the charge coupling of the “ring” target and the “ring” shift register ending with the LEF with the organization of “floating diffusion”, while on the target the lines of photosensitive elements, alternating with the lines of elements shielded from light, are located along radial directions from the imaginary center of the circular ring to its outer periphery and the “ring” shift register located there, and the number of elements in each “ring” line of the target is equal to the number of elements in the “ring” shift register, etc. than on the target the area of the photosensitive elements and the equal area of the shielded elements are different from row to row, increasing as they move to the outer periphery to a maximum value not exceeding the area of the element of the “circular” shift register, the charge image of the information frame is accumulated on the photosensitive elements of the target in accordance with a control voltage for the ARVN photodetector, carry out a "circular" scan of the charge image on the target, followed by element-wise reading aryadovyh packets "annular" shift register and forming the output BPZN analog image signal voltage monitored space, wherein during the production of the sensor video control area of the reading aperture by the fact that from line to line changing period of control pulses T r for BPZN by relations ( 1, 2), providing the same size of the area of the reading aperture within the entire "ring" raster of the photodetector, convert the analog video signal into a digital video signal, characterized in that that the “ring” target of the photodetector is divided into isolated photodetector regions, which, when operated in parallel, have the form of a part of a circular ring, and their number k is determined by the ratio:
где γг - горизонтальный угол поля зрения в градусах ожидаемого и предлагаемого оператору компьютера «прямоугольного» изображения, при этом величина управляющего напряжения АРВН и соответственно длительность накопления зарядов за кадр определяются раздельно для каждой этой отдельно взятой мишени путем опережающей и неразрушающей оценки формируемого на ней зарядового рельефа.where γ g is the horizontal angle of the field of view in degrees of the expected and proposed “rectangular” image for the computer operator, while the control voltage of the ARVN and, correspondingly, the duration of charge accumulation per frame are determined separately for each of these separately taken targets by the leading and non-destructive estimation of the charge formed on it relief.
Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемый способ отличается наличием следующих признаков:Comparative analysis with the prototype [1] shows that the inventive method is characterized by the presence of the following features:
- условием осуществления действий по формированию в телевизионной камере исходного аналогового видеосигнала, а именно: разделением «кольцевой» мишени фотоприемника на k изолированных друг от друга мишеней, имеющих форму в виде части кругового кольца, которые управляются параллельно;- a condition for the implementation of actions for the formation of a source analog video signal in a television camera, namely: dividing the "ring" target of the photodetector into k targets isolated from each other, having the form in the form of a part of a circular ring, which are controlled in parallel;
- выполнением в телевизионной камере нового действия по определению управляющего напряжения для АРВН путем опережающей и неразрушающей оценки уровня формируемого зарядового рельефа;- performing a new action in the television camera to determine the control voltage for the ARVN by means of a leading and non-destructive assessment of the level of the formed charge relief;
- выполнением в телевизионной камере параллельных действий по установке длительности накопления зарядов за кадр для каждой из k мишеней сенсора.- by performing parallel actions in a television camera to set the duration of charge accumulation per frame for each of the k sensor targets.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемый способ отвечает требованию новизны.The combination of known and new features is not known from the prior art, therefore, the claimed method meets the requirement of novelty.
По техническому результату и методу его достижения предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.According to the technical result and the method of its achievement, the proposed technical solution meets the criterion of the presence of an inventive step.
На фиг. 1 приведена схемотехническая организации фотоприемника на ПЗС (по методу «кольцевой строчный перенос») с шестью изолированными мишенями (k=6); на фиг. 2 представлена структурная схема устройства, поясняющая реализацию заявляемого способа формирования видеосигнала в одной отдельно взятой мишени; на фиг. 3 - схематический поперечный разрез фрагмента мишени этого сенсора при трехфазном переносе зарядовых пакетов; на фиг. 4 - временные диаграммы (упрощенные осциллограммы) сопутствующих сигналов; на фиг. 5б) - эпюра, иллюстрирующая временное положение выходного сигнала устройства АРВН (относительно кадрового гасящего импульса, представленного на фиг. 5а); на фиг. 6 - иллюстрация возможного варианта схемотехнической организации «кольцевого» фотоприемника на ПЗС.In FIG. 1 shows the circuitry of organizing a photodetector on a CCD (according to the “ring horizontal transfer” method) with six isolated targets (k = 6); in FIG. 2 is a structural diagram of a device explaining the implementation of the proposed method for generating a video signal in one single target; in FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a fragment of a target of this sensor during three-phase transfer of charge packets; in FIG. 4 - time diagrams (simplified oscillograms) of related signals; in FIG. 5b) is a diagram illustrating the temporary position of the output signal of the ARVN device (relative to the frame blanking pulse shown in FIG. 5a); in FIG. 6 is an illustration of a possible embodiment of a circuit arrangement of a “ring” photodetector at a CCD.
Способ формирования видеосигнала может быть реализован для «кольцевого» телевизионного сенсора применительно к двухфазному, трехфазному или четырехфазному зарядовому переносу. Отметим, что здесь далее при изложении происходящих процессов в сенсоре рассматривается только механизм трехфазного переноса зарядов.The method of generating a video signal can be implemented for a "ring" television sensor in relation to two-phase, three-phase or four-phase charge transfer. Note that hereafter, when describing the ongoing processes in the sensor, only the mechanism of three-phase charge transfer is considered.
«Кольцевой» фотоприемник на фиг. 1 выполнен на кристалле в виде кругового кольца, имеет схемотехническую организацию «кольцевой строчный перенос» и состоит из связанных последовательно зарядовой связью «кольцевой» мишени 1-1, «кольцевого» регистра сдвига 1-2 и БПЗН 1-3 с организацией «плавающая диффузия», а его выход является выходом «видео» «кольцевого» фотоприемника, при этом на мишени 1-1 радиально расположенные линейки светочувствительных элементов чередуются с радиальными линейками экранированных от света элементами, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени 1-1 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2, а площадь светочувствительных элементов на мишени от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига 1-2. Пунктирные линии на фиг. 1 показывают выделение на «кольцевой» мишени 1-1 фотоприемника шести изолированных мишеней, имеющих форму в виде части кругового кольца, т.е. k=6. Введем обозначение этих сенсоров соответственно как: 1-1-1, 1-1-2, 1-1-3, 1-1-4, 1-1-5 и 1-1-6.The “ring” photodetector in FIG. 1 is made on a crystal in the form of a circular ring, has the circuit organization “ring lowercase transfer” and consists of a “ring” target 1-1, a “ring” shift register 1-2 and BPZN 1-3 connected sequentially by charge communication with the organization “floating diffusion” ”, And its output is the output of the“ video ”of the“ ring ”photodetector, while on target 1-1 the radially arranged lines of photosensitive elements alternate with the radial lines of elements shielded from light, and the number of elements in each“ ring ”page target 1-1 is equal to the number of elements in the “ring” shift register 1-2, and the area of the photosensitive elements on the target from row to row is different, increasing as it moves to the outer periphery to a maximum value not exceeding the area of the element of “ring” shift register 1-2. The dashed lines in FIG. 1 show the selection on a “ring” target 1-1 of a photodetector of six isolated targets having the shape of a part of a circular ring, i.e. k = 6. We introduce the designation of these sensors, respectively, as: 1-1-1, 1-1-2, 1-1-3, 1-1-4, 1-1-5, and 1-1-6.
Предполагается, что для всех шести изолированных мишеней действует параллельное управление, обеспечивающее: - процесс накопления зарядового рельефа в соответствии с длительностью, задаваемой выходным импульсом АРВН на входе электронного затвора сенсора;It is assumed that for all six isolated targets there is a parallel control that provides: - the process of accumulation of the charge relief in accordance with the duration specified by the output pulse of the ARVN at the input of the electronic shutter of the sensor;
- процесс неразрушающего измерения уровня рельефа для получения опережающего сигнала управления на входе АРВН.- the process of non-destructive measurement of the level of relief to obtain a leading control signal at the input of the ARVN.
Организация этого параллельного управления может быть осуществлена за счет «размножения» импульсных сигналов при помощи внешних буферных каскадов для готовых микросхем, реализующих набор (комплект) необходимых управляющих напряжений.The organization of this parallel control can be carried out by “multiplying” the pulse signals using external buffer stages for finished circuits that implement a set (set) of necessary control voltages.
Очевидно, что предлагаемый в настоящем техническом решении способ формирования видеосигнала может быть с успехом реализован и для двух других вариантов схемотехнической организации «кольцевого» фотоприемника.It is obvious that the method for generating a video signal proposed in the present technical solution can be successfully implemented for two other variants of the circuitry organization of a “ring” photodetector.
Схемотехническая организация фотоприемника на ПЗС по методу «кольцевой кадровый перенос», усовершенствованная аналогичным приемом по выравниванию разрешающей способности, которая была предложена в патенте РФ [4], представлена на фиг. 6.The circuitry organization of the photodetector on the CCD according to the method of "circular personnel transfer", improved by a similar technique for equalizing the resolution, which was proposed in the patent of the Russian Federation [4], is presented in FIG. 6.
«Кольцевой» фотоприемник на ПЗС состоит из связанных последовательно зарядовой связью «кольцевой» мишени 1-1, «кольцевой» секции памяти 1-2, «кольцевого» регистра сдвига 1-3 и БПЗН 1-4 с организацией «плавающая диффузия», а его выход является выходом «видео» «кольцевого» фототоприемника, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени и в каждой «кольцевой» строке секции памяти равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига, а площадь светочувствительных элементов на мишени от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента секции памяти, при этом «кольцевая» мишень разделена на k изолированных друг от друга фотоприемных областей с параллельно действующим управлением, а число этих областей определяется соотношением (3).A “ring” CCD photodetector consists of a “ring” target 1-1, a “ring” memory section 1-2, a “ring” shift register 1-3, and a BPZN 1-4 connected sequentially by charge communication, with the organization “floating diffusion”, and its output is the output of the “video” of the “ring” photodetector, and the number of elements in each “ring” line of the target and in each “ring” line of the memory section is equal to the number of elements in the “ring” shift register, and the area of the photosensitive elements on the target from line to line is different, increasing as d move to the outer periphery to a maximum value not exceeding the area of the element of the memory section, while the “ring” target is divided into k isolated photodetector areas with parallel control, and the number of these areas is determined by relation (3).
Схемотехническая организация фотоприемника по методу «кольцевой строчно-кадровый перенос», которая также усовершенствована упомянутым методом по выравниванию разрешающей способности изображения, была предложена в патенте РФ [5].The circuitry organization of the photodetector according to the method of “ring line-frame transfer”, which is also improved by the mentioned method for equalizing the resolution of the image, was proposed in the RF patent [5].
Являясь комбинированной по отношению к двум предыдущим устройствам, эта организация сенсора более сложна в реализации, но гарантирует и более высокие показатели его предельной чувствительности. «Кольцевой» фотоприемник на ПЗС, который выполнен на кристалле в виде кругового кольца, состоит из связанных последовательно зарядовой связью «кольцевой» мишени, «кольцевой» секции памяти, «кольцевого» регистра сдвига и БПЗН с организацией «плавающая диффузия», а его выход является выходом «видео» «кольцевого» фотоприемника, при этом на мишени радиально расположенные линейки светочувствительных элементов чередуются с радиальными линейками экранированных от света элементами, а экранированная от света секция памяти заполнена радиальными линейками с таким же числом элементов, что и на мишени, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени и в каждой «кольцевой» строке секции памяти равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига, а площадь светочувствительных элементов на мишени от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента секции памяти.Being combined with respect to the two previous devices, this organization of the sensor is more difficult to implement, but also guarantees higher parameters of its maximum sensitivity. A “ring” CCD photodetector, which is made in the form of a circular ring on a crystal, consists of a “ring” target, a “ring” memory section, a “ring” shift register, and an OCR with a floating diffusion organization, connected in series with a charge connection, and its output is the output of the “video” of the “ring” photodetector, while on the target radially arranged lines of photosensitive elements alternate with radial lines of elements shielded from light, and the memory section shielded from light is filled with a radial rulers with the same number of elements as on the target, and the number of elements in each “ring” line of the target and in each “ring” line of the memory section is equal to the number of elements in the “ring” shift register, and the area of photosensitive elements on the target is from the line to the line is different, increasing as it moves to the outer periphery to a maximum value not exceeding the area of the element of the memory section.
Рассмотрим анонсированную ранее структурную схему на фиг. 2. Она содержит фотоприемник 1-1-1, а все его фазные электроды, за исключением электродов первой и второй фазы мишени, подключены к соответствующим выходам блока 2 управляющих напряжений мишени; первый фазный электрод мишени сенсора 1-1-1 подключен к входу преобразователя 3 «ток -напряжение», выход которого подключен к неинвертирующему входу блока 4 вычитания; второй фазный электрод мишени сенсора 1-1-1 - к выходу генератора 5 линейно изменяющегося напряжения, который стробируется по входу «Запуск развертки»; выход генератора 5 линейно изменяющегося напряжения дополнительно через делитель 6 напряжения подключен к инвертирующему входу блока 4 вычитания, выход которого соединен с информационным входом пикового детектора 7, управляющий вход которого подключен к импульсу сброса, а выход - к входу широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 8. Выходной сигнал блока 8 подключен к «электронному затвору сенсора 1-1-1.Consider the previously announced block diagram of FIG. 2. It contains a photodetector 1-1-1, and all its phase electrodes, with the exception of the electrodes of the first and second phase of the target, are connected to the corresponding outputs of the block 2 of the control voltage of the target; the first phase target electrode of the sensor 1-1-1 is connected to the input of the current-voltage converter 3, the output of which is connected to a non-inverting input of the subtraction unit 4; the second phase electrode of the target of the sensor 1-1-1 - to the output of the generator 5 of a linearly varying voltage, which is gated at the input "Start sweep"; the output of the ramp generator 5 is additionally connected through a
Пунктирные линии на фиг. 2 отражают наличие имеющихся электрических связей между первыми и соответственно вторыми фазными электродами сенсора 1-1-1 и блоком 2 управляющих напряжений мишени, которые далее не комментируются.The dashed lines in FIG. 2 reflect the presence of electrical connections between the first and second phase electrodes of the sensor 1-1-1 and the control voltage unit 2 of the target, which are not further commented on.
Устройство на фиг. 2 работает следующим образом.The device of FIG. 2 works as follows.
Для упрощения будем полагать, что фрагмент мишени сенсора 1-1-1, показанный на фиг. 3, отображает всю эту мишень, которая состоит из четырех трехфазных элементов, которые выполнены на кремниевом «кольцевом» кристалле по технологии ПЗС с каналом проводимости р-типа. Это означает, что для выполнения переноса зарядовых пакетов управляющие смещения на фазных электродах фотоприемника должны иметь отрицательную полярность относительно подложки кристалла. Именно такую проводимость канала имела отечественная матрица ПЗС, серийно выпускавшаяся в СССР как изделие под маркой К1200ЦМ1, которая была использована авторами работ [2, 3] в экспериментальных исследованиях.For simplicity, we will assume that the fragment of the sensor target 1-1-1 shown in FIG. 3, displays this entire target, which consists of four three-phase elements that are made on a silicon “ring” crystal using CCD technology with a p-type conduction channel. This means that in order to carry out the transfer of charge packets, the control bias on the phase electrodes of the photodetector must have a negative polarity with respect to the crystal substrate. It was this channel conductivity that the CCD domestic matrix had, commercially available in the USSR as a product under the brand name K1200CM1, which was used by the authors of [2, 3] in experimental studies.
В нашем примере будем считать, что во время развертки к третьему фазному электроду мишени приложено нулевое напряжение подложки кристалла сенсора 1-1-1, которое необходимо для создания барьеров, препятствующих растеканию зарядов в соседние потенциальные ямы.In our example, we assume that during the sweep, the zero phase voltage of the sensor crystal 1-1-1 is applied to the third phase electrode of the target, which is necessary to create barriers that prevent charges from spreading into neighboring potential wells.
Рассмотрим режим работы устройства, когда перед разверткой напряжения на первом и втором фазных электродах мишени устанавливаются одинаковыми и равными минус Uн относительно подожки. При этом в каждом элементе мишени накопленный заряд делится на две равные части: половина заряда находится под правым (вторым) фазным электродом, вторая половина - под левым (первом) фазным электродом. Очевидно, что при неравномерной засветке мишени в каждом ее пикселе накапливается разное количество заряда.Consider the operation mode of the device when, before the voltage sweep on the first and second phase electrodes, the targets are set equal and minus U n relative to the base. Moreover, in each element of the target, the accumulated charge is divided into two equal parts: half of the charge is under the right (second) phase electrode, the second half is under the left (first) phase electrode. Obviously, with uneven illumination of the target, a different amount of charge accumulates in each of its pixels.
В некоторый момент включается генератор 5 линейно изменяющегося напряжения, предназначенный для осуществления этой быстродействующей развертки зарядового сигнала, и потенциал на втором фазном электроде мишени начинает плавно возрастать (фиг. 4а). При этом в каждом пикселе глубина потенциальных ям под вторыми фазными электродами уменьшается (см. фиг. 3), поэтому во всех элементах мишени начинается процесс переноса заряда из правого электрода под левый электрод. В результате движения заряда в цепи левого (первого) фазного электрода мишени возникает ток, равный сумме токов в каждом ее пикселе (фиг. 4б). Сначала этот ток (I1) максимален, т.к. заряд есть в каждом пикселе. По мере роста потенциала на втором фазном электроде наступает момент, когда в пикселе с наименьшим количеством зарядовых носителей весь заряд перетекает из правого фазного электрода в левый фазный электрод. При этом суммарный ток уменьшается (фиг. 4б). Затем кончается заряд под правым фазным электродом в следующем пикселе, и суммарный ток снова уменьшается. Так продолжается до тех пор, пока не кончится заряд под правым фазным электродом мишени в пикселе, содержащем перед началом процесса зарядового переноса наибольшее количество зарядовых носителе. После этого ток (Il) становится равным нулю, и весь заряд мишени оказывается в потенциальных ямах первого фазного электрода.At some point, a ramp generator 5 is turned on, designed to realize this high-speed sweep of the charge signal, and the potential at the second phase electrode of the target begins to increase smoothly (Fig. 4a). Moreover, in each pixel, the depth of potential wells under the second phase electrodes decreases (see Fig. 3), therefore, in all elements of the target, the process of charge transfer from the right electrode to the left electrode begins. As a result of the movement of the charge in the circuit of the left (first) phase electrode of the target, a current arises equal to the sum of the currents in each of its pixels (Fig. 4b). First, this current (I 1 ) is maximum, because there is a charge in every pixel. As the potential grows, the second phase electrode comes when the pixel with the smallest number of charge carriers transfers all the charge from the right phase electrode to the left phase electrode. In this case, the total current decreases (Fig. 4b). Then the charge under the right phase electrode in the next pixel ends, and the total current decreases again. This continues until the charge under the right phase electrode of the target in the pixel, containing the largest number of charge carriers before the start of the charge transfer process, ends. After this, the current (I l ) becomes equal to zero, and the entire charge of the target is in the potential wells of the first phase electrode.
В сформированном так токе (фиг. 4б) заключена информация о распределении зарядов по всей поверхности мишени «кольцевого» фотоприемника 1 -1 -1.The current generated in this way (Fig. 4b) contains information on the distribution of charges over the entire surface of the target of the “ring” photodetector 1 -1 -1.
Следует признать, что точность этой информации ограничена помехой (см. эпюру Iп на фиг. 4б), возникающей из-за перезаряда ПЗС-структуры развертывающим линейно изменяющимся напряжением, т.е. в действительности величина возникающего тока составляет Il+1п.It should be recognized that the accuracy of this information is limited by the interference (see diagram I p in Fig. 4b) arising due to overcharging of the CCD structure by a developing linearly varying voltage, i.e. in fact, the magnitude of the emerging current is I l +1 p .
Для вычитания этой помехи служит делитель 6 напряжения и блок 4 вычитания.To subtract this interference serves as a
При реализации настоящего изобретательского решения можно использовать не только линейно возрастающее напряжение, но и линейно убывающее напряжение. Например, при использовании удвоенного размаха линейно изменяющегося напряжения (см. пунктир на фиг. 4а) напряжение на втором фазном электроде за время развертки уменьшается относительно подложки кристалла фотоприемника от минус Uн до минус 2Uн. Тогда возникающий ток изменяет свое направление, т.к. заряд перетекает не из правых электродов под левые электроды, а наоборот.When implementing the present inventive solution, it is possible to use not only a linearly increasing voltage, but also a linearly decreasing voltage. For example, when using the doubled magnitude of a linearly varying voltage (see the dotted line in Fig. 4a), the voltage on the second phase electrode decreases from minus U n to minus 2U n relative to the substrate of the photodetector crystal. Then the emerging current changes its direction, because the charge does not flow from the right electrodes to the left electrodes, but vice versa.
Интересующий нас информационный уровень напряжения, появляющийся на выходе блока 4 вычитания в течение телевизионного кадра, будет фиксироваться пиковым детектором 7, который перед этим измерением должен быть обязательно обнулен при помощи импульса сброса.The informational voltage level of interest to us, which appears at the output of the subtraction unit 4 during a television frame, will be detected by a peak detector 7, which must be reset to zero by a reset pulse before this measurement.
Полученное таким образом управляющее напряжение для блока АРВН 8 определяет на его выходе цифровой сигнал накопления в сенсоре 1-1-1, (см. фиг. 5б), который может изменяться в течение кадра от максимального значения отсчета 
Очевидно, что такой процесс оптимизированного накопления зарядов на мишени в зависимости от уровня освещенности контролируемой сцены будет происходить параллельно и на всех других пяти мишенях, обозначенных нами ранее как: 1-1-2, 1-1-3, 1-1-4, 1-1-5 и 1-1-6.Obviously, such a process of optimized accumulation of charges on the target, depending on the level of illumination of the monitored scene, will occur in parallel with all other five targets that we previously designated as: 1-1-2, 1-1-3, 1-1-4, 1-1-5 and 1-1-6.
Важно отметить, что период упомянутой нами линейной развертки микро может составлять всего лишь 20 мкс, что подтверждено косвенно в работе [3], а это является гарантом повышения точности управления (слежения) за параметром чувствительность телевизионной камеры в условиях и быстро изменяющейся освещенности контролируемой сцены.It is important to note that the period of the linear micro-sweep mentioned by us can be as little as 20 μs, which was confirmed indirectly in [3], and this is a guarantee of increasing the accuracy of control (tracking) of the sensitivity parameter of a television camera under conditions and rapidly changing illumination of a monitored scene.
Итак, в интервале прямого хода каждого телевизионного кадра происходит процесс оптимизированного накопления зарядов в светочувствительных пикселах всех шести мишеней 1-1-1, 1-1-2, 1-1-3, 1-1-4, 1-1-5 и 1-1-6 пропорционально освещенности контролируемого панорамного сюжета.So, in the interval of the forward course of each television frame, the process of optimized accumulation of charges in the photosensitive pixels of all six targets 1-1-1, 1-1-2, 1-1-3, 1-1-4, 1-1-5 and 1-1-6 in proportion to the illumination of a controlled panoramic plot.
В течение кратковременного промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки открывается фотозатвор, и заряды всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, переносятся (за один шаг поворота) в экранированные от света пикселы, расположенные на тех же мишенях.During the short period of the subsequent interval of the reverse motion of the frame scan, a photo shutter opens, and the charges of all the “ring” lines involved in the accumulation are transferred (in one rotation step) to the light-shielded pixels located on the same targets.
Затем фотозатвор каждой из шести мишеней закрывается, и в новом кадровом цикле выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода строчной развертки новыми зарядами «кольцевой» регистр 1-2.Then, the shutter of each of the six targets is closed, and another charge “picture” is accumulated in a new frame cycle, and the charge packets accumulated in the previous frame are transferred in the radial directions to the periphery of the photodetector crystal, loading the “ring” register in the reverse scan interval 1-2.
Для всех строк каждой из шести мишеней фотоприемника в БПЗН 1-3, как и в прототипе [1], обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры, что гарантирует одинаковую чувствительность для всех элементов «объединенной» мишени при поддержании одних и тех же пространственных зазоров между соседними пикселами.For all lines of each of the six targets of the photodetector in SPS 1-3, as in the prototype [1], the reading aperture area is the same across the field, which guarantees the same sensitivity for all elements of the “combined” target while maintaining the same spatial gaps between adjacent pixels.
Очевидно, что таким образом обеспечивается выравнивание разрешающей способности «кольцевого» изображения по всей площади «объединенной» мишени сенсора.Obviously, this ensures alignment of the resolution of the “ring” image over the entire area of the “integrated” sensor target.
Затем, как и в прототипе [1], сформированный аналоговый видеосигнал преобразуется в цифровой телевизионный сигнал (ЦТС) «кольцевого» кадра на выходе телевизионной камеры.Then, as in the prototype [1], the generated analog video signal is converted into a digital television signal (DTS) of the "ring" frame at the output of the television camera.
Далее ЦТС по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на сервер компьютерной системы, где выполняется запись видеоинформации в его оперативную память на кадр.Further, the DSP via the interface (for example, USB 2.0) is transmitted to the server of the computer system, where the video information is recorded in its main memory per frame.
Технический результат заявляемого решения обеспечивается тем, что в телевизионной камере будут в полностью автоматическом режиме получены оптимальные показатели для времени накопления (Tн) применительно ко всем k участкам «кольцевой» мишени фотоприемника.The technical result of the proposed solution is ensured by the fact that in a television camera the optimal indicators for the accumulation time (T n ) will be obtained in fully automatic mode with respect to all k sections of the “ring” target of the photodetector.
Следовательно, по сравнению с прототипом [1], будет достигнуто повышенное отношение сигнал/шум (ψ) формируемого видеосигнала и соответственно увеличение чувствительности для тех участков панорамного изображения, которые регистрируются при низкой освещенности (яркости) соответствующих им объектов.Therefore, in comparison with the prototype [1], an increased signal-to-noise ratio (ψ) of the generated video signal and, accordingly, an increase in sensitivity for those portions of the panoramic image that are recorded at low illumination (brightness) of the objects corresponding to them will be achieved.
В настоящее время все блоки и элементы комментируемой структурной схемы, реализующей предлагаемый способ формирования «кольцевого» кадра в телевизионной камере для панорамного компьютерного наблюдения в условиях сложной освещенности и/или яркости объектов освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.Currently, all the blocks and elements of the commented block diagram that implements the proposed method of forming a “ring” frame in a television camera for panoramic computer monitoring in conditions of complex illumination and / or brightness of objects are mastered or can be mastered by domestic industry.
Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.Therefore, the alleged invention should be considered as meeting the requirement for industrial applicability.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES
1. Патент РФ №2633758. МПК H04N 5/00. Телевизионная камера повышенной чувствительности для панорамного компьютерного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2017. - №29.1. RF patent No. 2633758. IPC H04N 5/00. High-sensitivity television camera for panoramic computer surveillance. / V.M. Smelkov // B.I. - 2017. - No. 29.
2. Авторское свидетельство СССР №1417210. МПК H04N 5/228. Способ формирования сигнала управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС. / А.Н. Куликов и Л.И. Хромов // Б.И. - 1988. - №30.2. USSR Copyright Certificate No. 1417210. IPC H04N 5/228. A method of generating a sensitivity control signal for a television camera on a CCD. / A.N. Kulikov and L.I. Khromov // B.I. - 1988. - No. 30.
3. Хромов Л.И., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Видеоинформатика. Передача и компьютерная обработка видеоинформации. - М.: «Радио и связь», 1991.3. Khromov L.I., Tsytsulin A.K., Kulikov A.N. Video informatics. Transfer and computer processing of video information. - M.: “Radio and Communications”, 1991.
4. Патент РФ №2625163. МПК H04N 7/00. Телевизионная камера и ее «кольцевой» фотоприемник для компьютерной системы панорамного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2017. - №20.4. RF patent No. 2625163. IPC H04N 7/00. A television camera and its "ring" photodetector for a computer system for panoramic observation. / V.M. Smelkov // B.I. - 2017. - No. 20.
5. Патент РФ №2611422. МПК H04N 7/00. Телевизионная камера повышенной чувствительности и ее «кольцевой» фотоприемник для компьютерной системы панорамного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2017. - №6.5. RF patent No. 2611422. IPC H04N 7/00. A high-sensitivity television camera and its “ring” photodetector for a panoramic panoramic computer system. / V.M. Smelkov // B.I. - 2017. - No. 6.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017140752A RU2673453C1 (en) | 2017-11-22 | 2017-11-22 | Method for forming video signal of "ring" frame in television camera for panoramic computer observation under complicated conditions of complex lighting and/or brightness of objects |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017140752A RU2673453C1 (en) | 2017-11-22 | 2017-11-22 | Method for forming video signal of "ring" frame in television camera for panoramic computer observation under complicated conditions of complex lighting and/or brightness of objects |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2673453C1 true RU2673453C1 (en) | 2018-11-27 |
Family
ID=64556439
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017140752A RU2673453C1 (en) | 2017-11-22 | 2017-11-22 | Method for forming video signal of "ring" frame in television camera for panoramic computer observation under complicated conditions of complex lighting and/or brightness of objects |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2673453C1 (en) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4554585A (en) * | 1983-08-12 | 1985-11-19 | Rca Corporation | Spatial prefilter for variable-resolution sampled imaging systems |
| EP0245998A3 (en) * | 1986-05-16 | 1989-12-06 | THE GENERAL ELECTRIC COMPANY, p.l.c. | Image sensors |
| US5166511A (en) * | 1989-05-08 | 1992-11-24 | Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum Vzw | Radiaton-sensitive sensor having a plurality of radiation sensitive elements arranged substantially circular with radially decreasing density |
| WO1992021151A3 (en) * | 1991-05-10 | 1993-01-07 | Q Dot Inc | High-speed peristaltic ccd imager with gaas fet output |
| US5489994A (en) * | 1993-10-29 | 1996-02-06 | Eastman Kodak Company | Integrated apertures on a full frame CCD image sensor |
| US20050001914A1 (en) * | 2003-07-02 | 2005-01-06 | Kueny Andrew Weeks | Apparatus and method for enhancing dynamic range of charge coupled device-based spectrograph |
| WO2005013001A3 (en) * | 2003-07-03 | 2006-07-13 | Physical Optics Corp | Panoramic video system with real-time distortion-free imaging |
| RU2633758C1 (en) * | 2017-01-31 | 2017-10-18 | Вячеслав Михайлович Смелков | Hypersensitive television camera for panoramic computer vision system |
-
2017
- 2017-11-22 RU RU2017140752A patent/RU2673453C1/en active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4554585A (en) * | 1983-08-12 | 1985-11-19 | Rca Corporation | Spatial prefilter for variable-resolution sampled imaging systems |
| EP0245998A3 (en) * | 1986-05-16 | 1989-12-06 | THE GENERAL ELECTRIC COMPANY, p.l.c. | Image sensors |
| US5166511A (en) * | 1989-05-08 | 1992-11-24 | Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum Vzw | Radiaton-sensitive sensor having a plurality of radiation sensitive elements arranged substantially circular with radially decreasing density |
| WO1992021151A3 (en) * | 1991-05-10 | 1993-01-07 | Q Dot Inc | High-speed peristaltic ccd imager with gaas fet output |
| US5489994A (en) * | 1993-10-29 | 1996-02-06 | Eastman Kodak Company | Integrated apertures on a full frame CCD image sensor |
| US20050001914A1 (en) * | 2003-07-02 | 2005-01-06 | Kueny Andrew Weeks | Apparatus and method for enhancing dynamic range of charge coupled device-based spectrograph |
| WO2005013001A3 (en) * | 2003-07-03 | 2006-07-13 | Physical Optics Corp | Panoramic video system with real-time distortion-free imaging |
| RU2633758C1 (en) * | 2017-01-31 | 2017-10-18 | Вячеслав Михайлович Смелков | Hypersensitive television camera for panoramic computer vision system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11128828B2 (en) | Solid-state imaging apparatus, imaging system, and distance measurement method | |
| US8300131B2 (en) | Image pickup device for wide dynamic range at a high frame rate | |
| RU2545519C1 (en) | Apparatus for computer-based panoramic television surveillance system and photodetector setup therefor | |
| JP2016086407A (en) | Imaging device and image acquisition apparatus | |
| WO2019081301A1 (en) | Image sensor for determining a three-dimensional image and method for determining a three-dimensional image | |
| RU2552101C1 (en) | Configuration of tv panoramic observation computer system and organisation of photo receiver to this end | |
| RU2611421C1 (en) | Television camera and its "ring" photodetector for computer system of panoramic surveillance | |
| EP2590413A1 (en) | Solid-state image capture element and image capture device comprising said solid-state image capture element, and image capture control method and image capture control program | |
| RU2625163C1 (en) | Television camera and its "ring" photodetector for computer system of panoramic surveillance | |
| CN112995545B (en) | Multi-sensor high dynamic range imaging | |
| RU2665695C1 (en) | Computer system device for panoramic television surveillance | |
| RU2706011C1 (en) | Panoramic television surveillance computer system device | |
| RU2633758C1 (en) | Hypersensitive television camera for panoramic computer vision system | |
| RU2673453C1 (en) | Method for forming video signal of "ring" frame in television camera for panoramic computer observation under complicated conditions of complex lighting and/or brightness of objects | |
| RU2670419C1 (en) | Method of controlling the sensitivity of a television camera on a ccd matrix under conditions of complex illumination and / or complex brightness of objects | |
| US6683293B1 (en) | TDI imager with target synchronization | |
| RU2670420C1 (en) | Method of controlling the sensitivity of a television camera on a ccd matrix under conditions of complex illumination and/or complex brightness of objects | |
| EP3001665A1 (en) | Image sensor and imaging apparatus | |
| RU2631830C1 (en) | Computer system of panoramic television observation | |
| RU2691942C1 (en) | Method of controlling sensitivity of a television camera on a ccd matrix in conditions of high illumination and/or complex brightness of objects | |
| RU2669187C1 (en) | Method for forming video signal of "ring" frame in television camera for panoramic computer observation under complicated conditions of complex lighting and/or brightness of objects | |
| RU2611424C1 (en) | Method of forming videosignal in "ring" photodetector for computer system of panoramic television surveillance | |
| RU2665696C1 (en) | Method for forming sensitivity control signal of television sensor manufactured by ccd technology | |
| RU2699805C1 (en) | Method of controlling sensitivity of a television camera on a ccd matrix and reproducing its video signal in a mobile device in conditions of high illumination and/or complex brightness of objects | |
| RU2611426C1 (en) | Videosignal sensor of primary colours for panoramic television surveillance of colour images |