RU2691942C1 - Method of controlling sensitivity of a television camera on a ccd matrix in conditions of high illumination and/or complex brightness of objects - Google Patents
Method of controlling sensitivity of a television camera on a ccd matrix in conditions of high illumination and/or complex brightness of objects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2691942C1 RU2691942C1 RU2018132782A RU2018132782A RU2691942C1 RU 2691942 C1 RU2691942 C1 RU 2691942C1 RU 2018132782 A RU2018132782 A RU 2018132782A RU 2018132782 A RU2018132782 A RU 2018132782A RU 2691942 C1 RU2691942 C1 RU 2691942C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- accumulation
- charge
- target
- voltage
- television
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 238000005286 illumination Methods 0.000 title claims description 20
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims abstract description 42
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 17
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000008520 organization Effects 0.000 claims description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 abstract description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000010351 charge transfer process Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005375 photometry Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, выполненных на базе матричных телевизионных сенсоров по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), в которых обеспечена электронная регулировка чувствительности за счет изменения внутрикадрового времени накопления.The present invention relates to television technology and is focused on the use of television cameras made on the basis of matrix television sensors according to the technology of charge-coupled devices (CCD), which are provided with electronic sensitivity adjustment due to changes in intraframe accumulation time.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС [1], основанный на том, что параллельно поэлементному считыванию видеосигнала на выходе фотоприемника выполняют неразрушающее измерение уровня зарядового рельефа в секции накопления (мишени) сенсора путем преобразования в напряжение токового сигнала в цепи первого фазного электрода мишени, причем одновременно с формированием этого сигнала периодически, непосредственно в течение времени накопления заряда каждого кадра, монотонно изменяют напряжение обеднения второго фазного электрода мишени от нулевого до удвоенного значения потенциала накопления, а после преобразования в напряжение токового сигнала из него вычитают с соответствующим весовым коэффициентом монотонно изменяющееся напряжение обеднения второго фазного электрода мишени, при этом полученный разностный сигнал дифференцируют и инвертируют.The closest in technical essence to the claimed invention should be considered a method of controlling the sensitivity of a television camera on a CCD matrix [1], based on the fact that parallel to the element-by-element reading of the video signal at the photo-receiver output, a non-destructive measurement of the charge relief level in the accumulation section (target) of the sensor is performed by converting into the voltage of the current signal in the circuit of the first phase electrode of the target, and simultaneously with the formation of this signal periodically, directly during the accumulation time of each frame monotonously change the voltage of the depletion of the second phase electrode of the target from zero to twice the value of the accumulation potential, and after converting the current signal into voltage of the current signal from it, the resulting difference signal is deduced from the corresponding weighting factor monotonically changing voltage of the second phase electrode of the target differentiate and invert.
Данный способ управления чувствительностью принципиально способен решить задачу адаптации в условиях быстро изменяющейся освещенности наблюдаемой сцены.This method of sensitivity control is fundamentally capable of solving the problem of adaptation in a rapidly changing illumination of the observed scene.
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 управления чувствительностью прототипа [1] принципиально не может справиться с ситуацией.However, when working in conditions of complex illumination and / or complex brightness of objects, when high illumination (brightness) in some areas of the field of view is accompanied by low illumination (brightness) in other areas, the prototype sensitivity control method [1] implemented in a television camera cannot deal with the situation.
Это объясняется тем, что в этих условиях автоматическая регулировка времени накопления (АРВН) телевизионной камеры, работающая по этому сигналу управления чувствительности, выполняет отсчет его напряжения при помощи амплитудного детектора по пиковому или по среднему значению видеосигнала. Но распространяет свой полученный результат, а именно: длительность времени накопления, - на все элементы (пикселы) мишени.This is explained by the fact that in these conditions the automatic adjustment of the accumulation time (ARVN) of a television camera, which operates on this sensitivity control signal, performs its voltage readout using an amplitude detector using a peak or average value of a video signal. But it spreads its obtained result, namely: the duration of the accumulation time, to all the elements (pixels) of the target.
Недостаток способа управления чувствительностью в прототипе [1] заключается в том, что возникает режим ограниченного накопления (по времени) для тех участков изображения, которые наблюдаются при низкой освещенности (яркости) соответствующих им объектов.The disadvantage of the sensitivity control method in the prototype [1] is that a limited accumulation mode arises (in time) for those parts of the image that are observed at low illumination (brightness) of the objects corresponding to them.
Задачей изобретения является организация в автоматическом режиме повышения чувствительности для этих фрагментов телевизионного кадра путем увеличения для них времени накопления и с возможностью правильного выбора их пространственного положения на мишени фотоприемника.The objective of the invention is the organization in the automatic mode of increasing the sensitivity for these fragments of the television frame by increasing their accumulation time and with the possibility of the correct choice of their spatial position on the target of the photodetector.
Поставленная задача в заявляемом способе управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС, который основан на том, что параллельно поэлементному считыванию видеосигнала на выходе фотоприемника, имеющего схемотехническую организацию «кадровый перенос» и состоящего из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, секции памяти, выходного регистра сдвига и БПЗН, выход которого является выходом «видео» фотоприемника, выполняют опережающее и неразрушающее измерение уровня зарядового рельефа в секции накопления сенсора путем преобразования в напряжение токового сигнала в цепи первого фазного электрода мишени, причем одновременно с формированием этого сигнала периодически, непосредственно в течение времени накопления заряда каждого кадра, монотонно изменяют напряжение обеднения второго фазного электрода мишени от нулевого до удвоенного значения потенциала накопления, а после преобразования в напряжение токового сигнала из него вычитают с соответствующим весовым коэффициентом монотонно изменяющееся напряжение обеднения второго фазного электрода мишени, решается тем, что секция накопления матрицы ПЗС имеет формат (отношение ширины секции к ее высоте) 1:1 и разделена по горизонтали на n изолированных друг от друга мишеней с одинаковым форматом, которые имеют параллельно действующее управление процессами фотоприема и развертки, при этом пиковое значение разностного сигнала, полученное путем опережающего и неразрушающего измерения уровня зарядового рельефа на каждой из n мишеней, используется в качестве управляющего напряжения по определению текущей длительности накопления за кадр для каждой этой отдельно взятой мишени, при этом сенсор снабжен дополнительным (вторым) БПЗН, а в выходном регистре сдвига выполняют поэлементный перенос зарядов по направлению к первому БПЗН или ко второму БПЗН в противоположном направлении, причем для оптимизации выбора режима накопления матрицы ПЗС реализуют пространственный поворот фотоприемника вокруг центральной точки его мишени на угол 90°.The task in the claimed method of controlling the sensitivity of a television camera on a CCD matrix, which is based on the fact that parallel to the element-by-element reading of the video signal at the output of the photodetector, which has a personnel transfer circuitry consisting of a charge-coupled accumulation section, a memory section, and an output shift register and BPZN, the output of which is the output of the "video" of the photodetector, perform advanced and non-destructive measurement of the level of charge relief in the section on accumulation of the sensor by converting the current signal in the circuit of the first phase electrode of the target to voltage, and simultaneously with the formation of this signal, periodically, directly during the charge accumulation time of each frame, monotonously change the depletion voltage of the second phase electrode of the target from zero to twice the accumulation potential, and after converting the current signal into voltage from it is subtracted with the corresponding weighting factor monotonically varying voltage of depletion of the second of the target electrode, is solved by the fact that the accumulation section of the CCD array has a format (ratio of the width of the section to its height) 1: 1 and is divided horizontally into n isolated targets with the same format, which have a parallel control of the photoreception and scanning processes, at the same time, the peak value of the difference signal obtained by advanced and non-destructive measurement of the level of the charge relief on each of the n targets is used as a control voltage to determine the current duration accumulation per frame for each individual target, while the sensor is equipped with an additional (second) BPSN, and in the output shift register an elemental transfer of charges is performed towards the first BPSN or the second BPSN in the opposite direction, and to optimize the selection of the accumulation mode of the CCD array realize the spatial rotation of the photodetector around the center point of its target at an angle of 90 °.
Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемый способ отличается наличием следующих признаков:Comparative analysis of the prototype [1] shows that the claimed method is characterized by the presence of the following features:
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.The technical result and the method of its achievement the proposed technical solution meets the criterion of the presence of inventive step.
На фиг. 1 приведена схемотехническая организация матрицы ПЗС с тремя изолированными мишенями (n=3); на фиг. 2 показаны два рабочих положения матричного фотоприемника, в которых относительно друг друга реализован пространственный поворот мишени на угол 90°; на фиг. 3 представлена структурная схема устройства, поясняющая реализацию заявляемого способа управления чувствительностью телевизионной камеры для одной отдельно взятой (изолированной) мишени; на фиг. 4 - схематический поперечный разрез фрагмента мишени этого сенсора при трехфазном переносе зарядовых пакетов; на фиг. 5 - временные диаграммы (упрощенные осциллограммы) сопутствующих сигналов; на фиг. 6б) - эпюра, иллюстрирующая импульсный сигнал, подаваемый на электронный затвор отдельно взятой мишени для управления ее чувствительностью; на фиг. 6а) - циклограмма кадрового гасящего импульса, необходимая для оценки временного положения импульса на фиг. 6б); на фиг. 7а) и 7б) показано положение трех «окон» фотометрирования секции накопления матрицы ПЗС в условиях ее сложной освещенности и/или сложной яркости применительно к двум рабочим положениям фотоприемника.FIG. 1 shows the circuit organization of the CCD matrix with three isolated targets (n = 3); in fig. 2 shows two working positions of the matrix photodetector, in which the spatial rotation of the target through an angle of 90 ° is realized relative to each other; in fig. 3 shows a block diagram of the device, explaining the implementation of the proposed method of controlling the sensitivity of a television camera for a single (isolated) target; in fig. 4 is a schematic cross section of a target fragment of this sensor with three-phase charge packet transfer; in fig. 5 - time diagrams (simplified oscillograms) of accompanying signals; in fig. 6b) - a plot illustrating the pulse signal supplied to the electronic shutter of a single target to control its sensitivity; in fig. 6a) is a cyclogram of the personnel extinguishing pulse, which is necessary for assessing the temporal position of the pulse in FIG. 6b); in fig. 7a) and 7b) shows the position of the three “windows” of photometry of the accumulation section of the CCD array in conditions of its complex illumination and / or complex brightness as applied to the two working positions of the photodetector.
Способ управления чувствительностью может быть реализован для телевизионной матрицы ПЗС применительно к двухфазному, трехфазному или четырехфазному зарядовому переносу. Отметим, что здесь далее при изложении происходящих процессов в сенсоре рассматривается только механизм трехфазного переноса зарядов, приведенный в описании прототипа [1].The sensitivity control method can be implemented for a CCD television matrix as applied to two-phase, three-phase or four-phase charge transfer. Note that here below, when describing the processes taking place in the sensor, only the three-phase charge transfer mechanism described in the prototype description is considered [1].
Матрица 1 на ПЗС (фиг. 1) с организацией «кадровый перенос» выполнена на кремниевом кристалле и состоит из связанных последовательно зарядовой связью секции 1-1 накопления, секции 1-2 памяти, выходного регистра сдвига 1-3, первого БПЗН 1-4-(1) и второго БПЗН 1-4-(2). Штрихпунктирные линии на фиг. 1 показывают выделение на секции 1-1 накопления фотоприемника трех изолированных мишеней с одинаковым форматом, т.е. n=3. Введем обозначение этих сенсоров соответственно как: 1-1-1, 1-1-2 и 1-1-3.The
Предполагается, что для всех трех изолированных мишеней действует параллельное управление, которое обеспечивает:It is assumed that for all three isolated targets there is a parallel control, which provides:
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 with the help of external buffer stages for ready-made circuits that implement a set (set) of necessary control voltages.
Предлагаемый в настоящем техническом решении способ управления чувствительностью телевизионной камеры может быть реализован и для двух других технологических вариантов матрицы ПЗС, т.е. для сенсоров, изготовленных соответственно по методу «строчный перенос» и «строчно-кадровый перенос» [2, с. 134-137]. При этом фотоприемная область этих приборов, в которой вертикально расположенные линейки светочувствительных элементов чередуются с вертикальными линейками изолированных от света пикселов, должна иметь формат 1:1 и быть технологически подготовлена аналогично секции накопления, т.е. путем разделения по горизонтали на n изолированных друг от друга мишеней с одинаковым форматом. Выходной регистр сдвига этих матриц ПЗС должен выполнять поэлементный перенос зарядовых пакетов на первый БПЗН или при изменении направления (реверсе) переноса - на второй БПЗН.The method of controlling the sensitivity of a television camera proposed in the present technical solution can be implemented for two other technological variants of the CCD matrix, i.e. for sensors manufactured respectively by the method of "line transfer" and "line-frame transfer" [2, p. 134-137]. At the same time, the photo-receiving area of these devices, in which the vertically positioned lines of photosensitive elements alternate with the vertical lines of pixels isolated from light, should have a 1: 1 format and be technologically prepared similarly to the accumulation section, i.e. by dividing horizontally into n isolated targets with the same format. The output shift register of these CCD matrices should perform element-by-element transfer of charge packets to the first BPSN or when changing the direction (reverse) of the transfer to the second BPSN.
Рассмотрим анонсированную ранее структурную схему на фиг. 3. Она содержит фотоприемник 1-1-1, а все его фазные электроды, за исключением электродов первой и второй фазы мишени, подключены непосредственно 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 преобразователя 8 «напряжение - заряд». Отметим, что блок 8 является по сути широтно-импульсным модулятором (ШИМ), а его выходной сигнал (см. фиг. 6б) подключен к управляющему входу GA1 сенсора 1-1-1 - его «электронному» затвору.Consider the previously announced structural diagram in FIG. 3. 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 directly to the corresponding outputs of the block 2 control voltages of the target; The first phase electrode of the sensor target 1-1-1 is connected to the input of the "current-voltage" converter 3, the output of which is connected to the 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 "Sweep start"; The output of the generator of linearly varying voltage is additionally connected via
Пунктирные линии на фиг. 3 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. 3 reflect the presence of existing electrical connections between the first and, respectively, second phase electrodes of the sensor 1-1-1 and the block 2 of the control voltages of the target, which are not further commented on.
Для упрощения будем полагать, что фрагмент сенсора 1-1-1, показанный на фиг. 4, отображает всю эту мишень, которая состоит из четырех трехфазных элементов, которые выполнены на кремниевом 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 [1, 3] в экспериментальных исследованиях.For simplicity, we will assume that the sensor fragment 1-1-1 shown in FIG. 4, displays the whole of this target, which consists of four three-phase elements, which are made on a silicon crystal using CCD technology with a p-type conduction channel. This means that to accomplish the transfer of charge packets, the control bias on the phase electrodes of the photodetector must have a negative polarity relative to the crystal substrate. This is the channel conductivity of the domestic CCD matrix, which was mass-produced in the USSR as a product under the mark K1200TSM1, which was used by the authors of works [1, 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 will assume that during the sweep a zero voltage of the substrate of the sensor crystal 1-1-1 is applied to the third phase electrode of the target, which is necessary to create barriers to the spreading of charges 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 mode of operation of the device when, prior to the sweep, the voltages on the first and second phase electrodes of the target are set equal and equal to minus U n relative to the descents. At the same time, 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 in each of its pixels accumulates a different amount of charge.
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. 5а). При этом в каждом пикселе глубина потенциальных ям под вторыми фазными электродами уменьшается (см. фиг. 4), 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, как показано на фиг. 5б. 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. 5б). 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 (I1) становится равным нулю, и весь заряд мишени оказывается в потенциальных ямах первого фазного электрода.At some point, the generator 5 of a linearly varying voltage, designed to implement this high-speed sweep of the charge signal, and the potential at the second phase electrode of the target begins to gradually increase (Fig. 5a). At the same time, in each pixel, the depth of the potential wells under the second phase electrodes decreases (see Fig. 4), 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 charge movement in the circuit of the left (first) phase electrode of the target, a current arises that is equal to the sum of the currents in each pixel, as shown in FIG. 5 B. At first this current (I 1 ) is maximum, since charge is in every pixel. As the potential on the second phase electrode grows, a moment comes when in a pixel with the least amount of charge carriers the entire charge flows from the right phase electrode to the left phase electrode. In this case, the total current decreases (Fig. 5b). Then the charge ends under the right phase electrode in the next pixel, and the total current decreases again. This continues until the end of the charge under the right phase electrode of the target in the pixel containing the largest amount of charge carriers before the charge transfer process begins. After this, the current (I 1 ) becomes zero, and the entire charge of the target is in the potential wells of the first phase electrode.
В сформированном так токе (фиг. 5б) заключена информация о распределении зарядов по всей поверхности мишени 1-1-1.In the current so formed (Fig. 5b) there is information about the charge distribution over the entire surface of the target 1-1-1.
Следует признать, что точность этой информации ограничена помехой (см. эпюру Iп на фиг. 5б), возникающей из-за перезаряда ПЗС-структуры развертывающим линейно изменяющимся напряжением, т.е. в действительности величина возникающего тока составляет I1+Iп.It should be recognized that the accuracy of this information is limited by the interference (see plot I p in Fig. 5b), which arises due to the reloading of the CCD structure with a sweeping linearly varying voltage, i.e. in fact, the magnitude of the resulting current is I 1 + I p .
Для вычитания этой помехи служит делитель 6 напряжения и блок 4 вычитания.To subtract this noise is the
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. 5а) 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 this inventive solution, it is possible to use not only a linearly increasing voltage, but also a linearly decreasing voltage. For example, when using a double range of a linearly varying voltage (see dotted line in Fig. 5a), the voltage at the second phase electrode during the sweep time decreases relative to the substrate of the photodetector crystal from minus U n to minus 2U n . Then the arising current changes its direction, since the charge flows not from the right electrodes under 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 information voltage level of interest to us, appearing at the output of subtraction unit 4 during a television frame, will be detected by a peak detector 7, which must be reset to zero before this measurement using a reset pulse.
Полученное таким образом управляющее напряжение для блока 8 определяет на его выходе цифровой сигнал накопления в сенсоре 1-1-1, (см. фиг. 6б), который может изменяться в течение кадра от максимального значения отсчета 
Важно отметить, что период упомянутой нами линейной развертки микро может составлять всего лишь 20 мкс, что подтверждено экспериментально в работе [3, с. 101], 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 experimentally in [3, p. 101], and this is a guarantee of improving the accuracy of control (tracking) of the parameter of the sensitivity of a television camera in conditions and rapidly changing illumination of the monitored scene.
Фотоприемник 1 на фиг. 1 работает следующим образом.The
Допустим, что по умолчанию матрица ПЗС занимает пространственное положение, показанное на фиг. 2а.Assume that, by default, the CCD array occupies the spatial position shown in FIG. 2a
Оптическое изображение наблюдаемой сцены в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов проецируется на секцию накопления 1-1 матрицы ПЗС, а, следовательно, и на все три составляющие ее мишени (1-1-1, 1-1-2, 1-1-3).The optical image of the observed scene in conditions of complex illumination and / or complex brightness of objects is projected onto the accumulation section 1-1 of the CCD matrix, and, consequently, onto all three targets making it (1-1-1, 1-1-2, 1- 1-3).
Пусть в нашем примере, показанном на фиг. 7а, в условиях высокой освещенности наблюдаемого сюжета оказывается область, которую занимает «Окно» 1; в условиях слабо пониженной освещенности - «Окно» 2; а в условиях существенно пониженной освещенности - «Окно» 3.In our example shown in FIG. 7a, in the conditions of high illumination of the observed plot, there appears to be an area occupied by “Window” 1; in low light conditions - “Window” 2; and in conditions of significantly reduced illumination - the “Window” 3.
В интервале прямого хода каждого телевизионного кадра происходит процесс оптимизированного накопления зарядов в светочувствительных пикселах всех трех мишеней 1-1-1, 1-1-2 и 1-1-3 пропорционально освещенности контролируемого сюжета.In the interval of the direct course of each television frame, the process of optimized accumulation of charges in the photosensitive pixels of all three targets 1-1-1, 1-1-2 and 1-1-3 occurs in proportion to the illumination of the monitored plot.
В течение промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки заряды всех строк, участвовавших в накоплении, переносятся в экранированные от света пикселы, расположенные в секции 1-2 памяти.During the interval of the subsequent interval of the reverse frame sweep, the charges of all the lines participating in the accumulation are transferred to pixels shielded from light located in section 1-2 of the memory.
Затем в новом кадровом цикле выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты переносятся на периферию кристалла сенсора, загружая в интервале обратного хода строчной развертки новыми зарядами выходной регистр сдвига 1-3 фотоприемника. Зарядовые пакеты каждой строки в последующем кадровом цикле поэлементно считываются в первом БПЗН 1-4-(1), формируют на его выходе аналоговый видеосигнал. Далее он конвертируется в цифровое изображение, записываемое в электронную память устройства.Then, in the new personnel cycle, another charge “picture” is accumulated, and the charge packets accumulated in the previous frame are transferred to the periphery of the sensor crystal, loading the output shift register 1-3 of the photodetector in the backward interval of the horizontal scan. The charge packets of each row in the subsequent frame cycle are read elementwise in the first BPSN 1-4- (1), forming an analog video signal at its output. Then it is converted into a digital image recorded in the electronic memory of the device.
Технический результат заявляемого решения обеспечивается тем, что в телевизионной камере будут в полностью автоматическом режиме получены оптимальные показатели для времени накопления (Тн) применительно ко всем n участкам площади мишени матрицы ПЗС.The technical result of the proposed solution is ensured by the fact that the optimal performance of the accumulation time (T n ) for all n areas of the target area of the CCD matrix is obtained in a fully automated mode in a television camera.
Следовательно, по сравнению с прототипом [1], будет достигнуто повышенное отношение сигнал/шум (ψ) формируемого видеосигнала и соответственно увеличение чувствительности для тех участков изображения, которые регистрируются при низкой освещенности (яркости) соответствующих им объектов.Consequently, in comparison with the prototype [1], an increased signal-to-noise ratio (форми) of the generated video signal will be achieved and, accordingly, an increase in sensitivity for those parts of the image that are recorded at low illumination (brightness) of the corresponding objects.
Допустим, что условия сложной освещенности наблюдаемой сцены и/или сложной яркости контролируемых объектов существенно изменились с позиции пространственного расположения. А именно, проецируемые на секцию 1-1 накопления фрагменты изображений из «расположенных вертикально» становятся фрагментами «расположенными горизонтально».Assume that the complex illumination conditions of the observed scene and / or the complex brightness of the objects being monitored have significantly changed from the standpoint of spatial location. Namely, image fragments projected onto accumulation section 1-1 from “vertically arranged” become fragments “horizontally arranged”.
Очевидно, что в этой ситуации неизбежна потеря чувствительности телевизионной камеры на ПЗС за счет ошибки в отсчете времени накопления фотоприемника для фрагментов изображений, наблюдаемых в условиях пониженной освещенности.Obviously, in this situation, the loss of sensitivity of a television camera on a CCD is inevitable due to an error in the counting of the photodetector accumulation time for the fragments of images observed in low light conditions.
Но заявляемый способ успешно преодолевает эту «ситуационную» трудность. Для этого необходимо выполнить пространственный поворот фотоприемника (против часовой стрелки) вокруг центральной точки его мишени на угол 90°, т.е. матрица ПЗС будет занимать пространственное положение, показанное на фиг. 2б.But the claimed method successfully overcomes this “situational” difficulty. For this, it is necessary to perform a spatial rotation of the photodetector (counterclockwise) around the center point of its target through an angle of 90 °, i.e. the CCD array will occupy the spatial position shown in FIG. 2b.
В результате для сенсора «окна» фотометрирования становятся ориентированными в пространстве не вертикально, а горизонтально, как представлено на фиг. 8б.As a result, for the sensor the photometric “window” becomes oriented in space not horizontally, but horizontally, as shown in FIG. 8b.
В рассматриваемом примере в условиях высокой освещенности наблюдаемого сюжета там оказывается область, которую занимает «Окно» 3; в условиях слабо пониженной освещенности - «Окно» 2; а в условиях существенно пониженной освещенности - «Окно» 1. Поэтому отсчет времени накопления для каждого из этих фрагментов изображений, осуществляемый за счет пикового детектирования видеосигнала, будет правильным, т.е. реализующим искомый рост чувствительности сенсора.In the considered example, under conditions of high illumination of the observed plot, there appears the region occupied by the “Window” 3; in low light conditions - “Window” 2; and in conditions of significantly reduced illumination - the “Window” 1. Therefore, the accumulation time for each of these fragments of images, performed due to the peak video signal detection, will be correct, i.e. realizing the desired increase in the sensitivity of the sensor.
В результате выходной регистр сдвига 1-3 будет переносить заряды в противоположном направлении, т.е. в сторону второго БПЗН 1-4-(2), где они аналогичным образом регистрируются.As a result, the output shift register 1-3 will transfer the charges in the opposite direction, i.e. in the direction of the second BPSN 1-4- (2), where they are similarly recorded.
В результате этого чувствительность фотоприемника будет повышена. Отметим, что реверсивное движение зарядов в регистре и введение в состав фотоприемника второго БПЗН необходимо для того, чтобы избежать «зеркальности» формируемого изображения.As a result, the sensitivity of the photodetector will be increased. Note that the reverse movement of charges in the register and the introduction of the second BPSN into the photodetector is necessary in order to avoid the “specularity” of the image being formed.
Далее, как и при исходном положении фотоприемника, формируемый аналоговый видеосигнал преобразуется в телевизионной камере в цифровой видеосигнал. Но перед считыванием видеосигнала из памяти здесь для полученного цифрового изображения средствами программирования дополнительно выполняется его поворот на 90° (против часовой стрелки).Further, as in the initial position of the photodetector, the generated analog video signal in the television camera is converted into a digital video signal. But before reading the video signal from the memory here for the received digital image by means of programming, it is additionally rotated by 90 ° (counterclockwise).
Заявляемый способ управления чувствительностью рекомендуется использовать в мобильных устройствах, в которых теле- и/или фотокамера конструктивно объединяется с монитором в один прибор.The inventive method of sensitivity control is recommended to be used in mobile devices, in which the television and / or camera constructively integrates with the monitor into one device.
При этом необходимый пространственный поворот матрицы ПЗС на угол 90° осуществляется аналогично выбору ориентации прибора в смартфонах, где предлагается «книжная» или «альбомная» ориентация экрана.In this case, the required spatial rotation of the CCD matrix at an angle of 90 ° is carried out similarly to the choice of orientation of the device in smartphones, where a “portrait” or “landscape” screen orientation is proposed.
Заметим, что в мониторе нашего прибора для видеосигнала, который формируется телевизионной камерой, осуществляется необходимый поворот экрана, что соответствует реализации в смартфоне опции «Адаптивный дисплей».Note that in the monitor of our device for the video signal, which is formed by a television camera, the necessary screen rotation is performed, which corresponds to the realization of the “Adaptive display” option in the smartphone.
В настоящее время все блоки и элементы комментируемой структурной схемы, реализующей предлагаемый способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС в условиях сложной освещенности и/или яркости объектов освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.At present, all the blocks and elements of the commented block diagram that implements the proposed method of controlling the sensitivity of a television camera on a CCD in difficult 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 intended invention should be considered as meeting the requirement of industrial applicability.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES
1. 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. - №30.1. USSR author's certificate №1417210. IPC H04N 5/228. The method of forming the control signal sensitivity of a television camera on a CCD matrix. / A.N. Kulikov and L.I. Khromov // B.I. - 1988. - №30.
2. Владо Дамьяновски. CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии. Перевод с англ. - М.: «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.2. Vlado Damyanovski. CCTV. Bible CCTV. Digital and network technologies. Translation from English - M .: ISP Press, 2006.
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 communication", 1991.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018132782A RU2691942C1 (en) | 2018-09-13 | 2018-09-13 | Method of controlling sensitivity of a television camera on a ccd matrix in conditions of high illumination and/or complex brightness of objects |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018132782A RU2691942C1 (en) | 2018-09-13 | 2018-09-13 | Method of controlling sensitivity of a television camera on a ccd matrix in conditions of high illumination and/or complex brightness of objects |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2691942C1 true RU2691942C1 (en) | 2019-06-19 |
Family
ID=66947431
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018132782A RU2691942C1 (en) | 2018-09-13 | 2018-09-13 | Method of controlling sensitivity of a television camera on a ccd matrix in conditions of high illumination and/or complex brightness of objects |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2691942C1 (en) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4087833A (en) * | 1977-01-03 | 1978-05-02 | Reticon Corporation | Interlaced photodiode array employing analog shift registers |
| US4811106A (en) * | 1986-05-16 | 1989-03-07 | The General Electric Company, P.L.C. | Frame transfer image sensor having two vertical clock standards |
| EP2123026A2 (en) * | 2006-12-12 | 2009-11-25 | Dolby Laboratories Licensing Corporation | Hdr camera with multiple sensors |
| RU2399164C1 (en) * | 2009-03-10 | 2010-09-10 | Вячеслав Михайлович Смелков | Image signal formation method |
| US20110019071A1 (en) * | 2009-07-23 | 2011-01-27 | Ryosuke Amano | Image pickup apparatus and image pickup method |
| US20110096216A1 (en) * | 2009-09-10 | 2011-04-28 | Fujifilm Corporation | Imaging pickup device and image pickup method |
| RU2420018C1 (en) * | 2010-02-26 | 2011-05-27 | Вячеслав Михайлович Смелков | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects |
| WO2014070261A1 (en) * | 2012-10-31 | 2014-05-08 | Pixon Imaging, Inc. | Device and method for extending dynamic range in an image sensor |
-
2018
- 2018-09-13 RU RU2018132782A patent/RU2691942C1/en active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4087833A (en) * | 1977-01-03 | 1978-05-02 | Reticon Corporation | Interlaced photodiode array employing analog shift registers |
| US4811106A (en) * | 1986-05-16 | 1989-03-07 | The General Electric Company, P.L.C. | Frame transfer image sensor having two vertical clock standards |
| EP2123026A2 (en) * | 2006-12-12 | 2009-11-25 | Dolby Laboratories Licensing Corporation | Hdr camera with multiple sensors |
| RU2399164C1 (en) * | 2009-03-10 | 2010-09-10 | Вячеслав Михайлович Смелков | Image signal formation method |
| US20110019071A1 (en) * | 2009-07-23 | 2011-01-27 | Ryosuke Amano | Image pickup apparatus and image pickup method |
| US20110096216A1 (en) * | 2009-09-10 | 2011-04-28 | Fujifilm Corporation | Imaging pickup device and image pickup method |
| RU2420018C1 (en) * | 2010-02-26 | 2011-05-27 | Вячеслав Михайлович Смелков | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects |
| WO2014070261A1 (en) * | 2012-10-31 | 2014-05-08 | Pixon Imaging, Inc. | Device and method for extending dynamic range in an image sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6872707B2 (en) | Imaging device and image acquisition device | |
| US7839444B2 (en) | Solid-state image-pickup device, method of driving solid-state image-pickup device and image-pickup apparatus | |
| US20160248956A1 (en) | Imaging apparatus, signal processing method, and program | |
| EP2179591B1 (en) | Multiple component readout of image sensor | |
| JP5155324B2 (en) | Digital image with reduced subject motion blur | |
| EP2285098A2 (en) | Solid-state image pickup device and driving mehtod thereof, and electronic apparatus | |
| WO2010131444A1 (en) | Image pickup apparatus | |
| JP4877359B2 (en) | Solid-state imaging device and imaging device | |
| US6570618B1 (en) | Solid-state image sensing apparatus, method for driving the same and camera | |
| 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 | |
| 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 | |
| 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 | |
| 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 | |
| US11368610B2 (en) | Image capture apparatus and control method therefor | |
| 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 | |
| RU2685219C1 (en) | Method of controlling the sensitivity of a television camera on a ccd matrix in conditions of complex lighting and / or complex brightness of objects | |
| RU2699813C1 (en) | Method for controlling the sensitivity of a television camera on a ccd matrix in conditions of complex illumination and/or complex brightness of objects, computer recording of a video signal and reproduction thereof | |
| RU2665696C1 (en) | Method for forming sensitivity control signal of television sensor manufactured by ccd technology | |
| RU2696766C1 (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 | |
| RU2683944C1 (en) | Method of controlling the sensitivity of a television camera on a ccd matrix in conditions of complex illumination and / or complex brightness of objects | |
| RU2657454C1 (en) | Method for forming video signal in “ring” photosensor and server for computer system of panoramic observation in conditions of complex lighting and / or complex brightness of objects | |
| JP2006197229A (en) | Image pickup device and camera | |
| RU2531463C1 (en) | Device for panoramic television surveillance "day-night" | |
| JP2010114654A (en) | Imaging apparatus and charge transferring method of solid-state imaging element | |
| RU2657455C1 (en) | Method of forming a video signal in a “ring”; photosensor and server for computer system of panoramic observation in conditions of complex lighting and / or complex brightness of objects |