RU2709409C1 - Устройство компьютерной системы для телевизионного кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению. Устройство компьютерной системы для телевизионного кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра содержит телевизионную камеру и компьютер оператора в качестве сервера, к которому подключены два или более персональных компьютеров. Телевизионная камера размещается внутри контролируемой цилиндрической трубы или трубопровода большого диаметра, перемещается вдоль нее по монорельсу посредством электропривода и содержит в своем составе осветитель, панорамный объектив и фотоприемник. Фотоприемник имеет форму кругового кольца и содержит на его кристалле «кольцевую» мишень, выполненную в виде линеек светочувствительных элементов. Для фотоприемника цветной телевизионной камеры на выходе панорамного объектива дополнительно установлен инфракрасный отсекающий фильтр, цветной фотоприемник состоит из монохромного сенсора и накрывающего его «кольцевую» мишень мозаичного фильтра, который разделяет свет на голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты. В разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров соответствует одному текущему «кольцевому» кадру. Фотоприемник выполнен на кристалле, изготовленном по технологии комплементарных структур КМОП. Мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, а также встроен аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео. Управление АЦП для пикселов осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество «радиальных» шин видео - число пикселов в каждой строке сенсора. На общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала цветного изображения. Технический результат заключается в повышении степени интеграции телевизионной камеры за счет выполнения «кольцевого» сенсора по технологии КМОП и с размещением на его кристалле электронного «обрамления» фотоприемника. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Предлагаемое изобретение имеет отношение к панорамному телевизионному наблюдению для технологического контроля внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра, выполняемого компьютерной системой при помощи единственного «кольцевого» фотоприемника, изготовленного по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП) в составе монохромной или цветной телевизионной камеры кругового обзора в области, близкой к полусфере, которая принудительно подсвечивается для получения оптимальной чувствительности изображения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство компьютерной системы для телевизионного кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и компьютер оператора в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, причем телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр монохромного или цветного изображения, размещается внутри контролируемой цилиндрической трубы или трубопровода большого диаметра и содержит в своем составе датчик телевизионного сигнала (ДТС), состоящий из последовательно расположенных и оптически связанных точечного (одноэлементного) или многоэлементного осветителя, панорамного объектива и фотоприемника, причем геометрический центр осветителя находится на оптической оси панорамного объектива, диаметр осветителя не превышает диаметр пассивной части изображения для проекции панорамного объектива, формируемой в этой плоскости, а спектральная характеристика излучения осветителя соответствует спектральной характеристике чувствительности фотоприемника, при этом фотоприемник (сенсор) изготовлен по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и для монохромной телевизионной камеры сенсор имеет форму кругового кольца, у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру, оканчивающемуся блоком преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области равно числу элементов в «кольцевом» регистре, а площадь каждого пиксела фотоприемной области увеличивается по мере движения к внешней периферии; а для цветной телевизионной камеры фотоприемник состоит из монохромного сенсора и накрывающего его фотоприемную область цветного мозаичного фильтра, который разделяет свет на голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты, причем световые «окна» цветного мозаичного фильтра, имеющего «кольцевую» форму, совпадают с геометрическими размерами пикселов фотоприемной области сенсора, а между панорамным объективом и фотоприемником установлен инфракрасный отсекающий фильтр (ИК-фильтр); дополнительно к ДТС в составе телевизионной камеры входят сигнальный процессор, соединенный последовательно с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), блок «кольцевой» развертки видеосигнала и блок формирования апертуры (БФА), причем выход БПЗН фотоприемника, являющийся выходом ДТС, подключен к информационному входу сигнального процессора, выход управления экспозицией которого подключен к первому управляющему входу блока «кольцевой» развертки видеосигнала, первый выход которого подключен к управляющим входам фотоприемной области фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к управляющим входам «кольцевого» регистра фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к входу синхронизации сигнального процессора, четвертый выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к тактовому входу АЦП; информационный вход БФА подключен к выходу импульсов сброса блока «кольцевой» развертки видеосигнала, синхронизирующий вход БФА - к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки видеосигнала, а выход БФА - ко второму управляющему входу блока «кольцевой» развертки видеосигнала, при этом период управляющих импульсов Т_r, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением:

где T_p - период считывания элемента в фотоприемнике;

n_m - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в фотоприемнике равна отношению:

где Δ₁ - площадь светочувствительного элемента для первой строки считывания в фотоприемнике;

Δ_m - площадь светочувствительного элемента для текущей строки считывания в фотоприемнике;

выход АЦП является выходом телевизионной камеры, при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:

где γ_г - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем.

Для прототипа предполагается, что телевизионная камера перемещается по рельсам или монорельсу вдоль внутренней поверхности трубы или трубопровода посредством электропривода, управляемого на месте, т.е. независимо от оператора компьютера.

В телевизионной камере прототипа [1] реализуется режим работы с принудительной подсветкой контролируемого объекта, которая обладает повышенной равномерностью, благодаря расположению геометрического центра осветителя на оптической линии объектива перед ним.

Реализация оригинального осветителя в совокупности с возможностью при помощи БФА выравнивания чувствительности «кольцевого» кадра фотоприемника, гарантируют повышение скорости выполнения (производительности) телевизионного технологического контроля внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра.

Недостаток прототипа - ограниченная степень интеграции телевизионной камеры из-за применяемой технологии ПЗС для изготовления ее «кольцевого» сенсора, принципиально не позволяющей разместить на кристалле электронное «обрамление» фотоприемника.

Здесь под этим термином конкретно подразумевается блоковая совокупность, включающая в себя блок «кольцевой» развертки видеосигнала, БФА, сигнальный процессор и АЦП.

Задачей изобретения является повышение степени интеграции телевизионной камеры за счет выполнения «кольцевого» сенсора по технологии КМОП и с размещением на его кристалле электронного «обрамления» фотоприемника.

Поставленная задача в заявляемом устройстве компьютерной системы для телевизионного кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра решается тем, что в устройство прототипа [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и компьютер оператора в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, причем телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр монохромного или цветного изображения, размещается внутри контролируемой цилиндрической трубы или трубопровода большого диаметра, перемещается вдоль нее по монорельсу посредством электропривода и содержит в своем составе последовательно расположенные и оптически связанные осветитель, панорамный объектив и фотоприемник, причем геометрический центр осветителя находится на оптической оси панорамного объектива, диаметр осветителя не превышает диаметр пассивной части изображения для проекции панорамного объектива, формируемой в этой плоскости, а спектральная характеристика излучения осветителя соответствует спектральной характеристике чувствительности фотоприемника, при этом фотоприемник монохромной телевизионной камеры имеет форму кругового кольца и содержит на его кристалле «кольцевую» мишень, выполненную в виде линеек светочувствительных элементов (пикселов), расположенных вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, причем число светочувствительных пикселов в каждой «кольцевой» строке одинаково, а их площадь от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии фотоприемника; для фотоприемника цветной телевизионной камеры на выходе панорамного объектива дополнительно установлен ИК-фильтр, а цветной фотоприемник состоит из монохромного сенсора и накрывающего его «кольцевую» мишень мозаичного фильтра, который разделяет свет на голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты, причем площадь светочувствительных пикселов на мишени цветного сенсора совпадает с площадью соответствующих «окон» мозаичного фильтра; при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (3), но при этом в отличие от прототипа [1], сам фотоприемник выполнен на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K_m, а также встроенный АЦП, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки сенсора, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество «радиальных» шин видео - число пикселов в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала цветного изображения, а именно: «кольцевой» регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор «кольцевой» строки; «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого «радиального» столбца, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора строчной развертки, и обеспечивают передачу видеосигнала на выходе каждой «радиальной» шины видео на «кольцевую» шину видео, а с нее - на информационный вход «кольцевого» процессора видеосигналов, выход которого является выходом «Видео» фотоприемника, причем коэффициент усиления активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки сенсора изменяется по соотношению:

где Δ₁ и Δ_m - соответственно светочувствительная площадь активного пиксела для первой и текущей «кольцевой» строки считывания в «кольцевом» сенсоре, обеспечивая одинаковую величину считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения.

Совокупность известных и новых признаков для заявляемого устройства не известна из уровня техники, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.

Важно отметить следующее. Светочувствительная площадь пикселов «кольцевой» мишени заявляемого фотоприемника, как и для прототипа [1], от строки к строке различна. Это вызывается необходимостью для «кольцевого» фотоприемника, имеющего одинаковое число пикселов в каждой строке, выравнивания разрешающей способности в пределах кадра путем обеспечения одинаковой величины технологического (производственного) зазора между светочувствительными элементами.

Но при этом, как в заявляемом решении, так и в прототипе [1], не происходит межстрочного нарушения чувствительности сенсора по следующим обстоятельствам.

Параметр считывающей апертуры для всех пикселов каждой текущей строки «кольцевого» кадра здесь определяется произведением коэффициента усиления K_m пиксела на величину его светочувствительной площади Δ_m.

Как следует из соотношения (4), этот показатель остается постоянным (неизменным) для всех светочувствительных пикселов заявляемого фотоприемника. Не меняется и величина шумовой «дорожки» для каждого активного пиксела сенсора, что является обязательным условием для реализации чувствительности фотоприемника и его отношения сигнал/шум.

Отметим, что в прототипе [1] этот принцип также соблюдается, но реализуется по другому методу, см. опубликованные выше соотношения (1) и (2).

Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого изобретения - устройства компьютерной системы для кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопровод большого диаметра; на фиг. 2 - структурная схема телевизионной камеры из состава этой компьютерной системы; на фиг. 3 приведена схемотехническая организации нового фотоприемника телевизионной камеры; на фиг. 4 показан фрагмент этого фотоприемника, иллюстрирующий подробности конструкции его мишени для цветного варианта сенсора; на фиг. 5 - подробности организации фотоприемника применительно к отдельно взятому «радиальному» столбцу; на фиг. 6 по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 7 - предлагаемое оператору панорамное изображение текущего «кольцевого» кадра в виде последовательности из 6-ти «прямоугольных» кадров.

Заявляемое устройство компьютерной системы телевизионного кругового обзора внутренней поверхности цилиндрических труб и трубопроводов большого диаметра, см. фиг. 1, содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и компьютер 2 оператора в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров в позиции 3, причем телевизионная камера, см. фиг. 2, размещаемая внутри контролируемой цилиндрической трубы 4 большого диаметра и перемещаемая вдоль нее по монорельсу 5 посредством электропривода 6, формирует «кольцевой» растр монохромного или цветного изображения, при этом на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, выполняющая программным путем запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера и преобразование «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (3), сама телевизионная камера 1, см. фиг. 2, содержит последовательно расположенные и оптически связанные осветитель 1-3, панорамный объектив 1-1 и фотоприемник 1-2, причем осветитель 1-3, геометрический центр которого должен находиться на оптической оси панорамного объектива 1-1, установлен в соответствующем месте (отверстии) защитного стекла 1-4 телевизионной камеры.

Отметим, что осветитель 1-3 должен иметь автономное питание от аккумуляторной батареи, а его диаграмма направленности совпадает с полусферой кругового обзора для панорамного объектива 1-1.

Очевидно, что диаметр осветителя 1-3 не должен превышать диаметр оптической проекции для пассивной области панорамного объектива 1-1, формируемой в этой плоскости, а спектральная характеристика осветителя 1-3 должна соответствовать спектральной характеристике чувствительности фотоприемника 1-2.

Область принудительной подсветки контролируемого объекта, выполняемой при помощи осветителя 1-3, показана пунктиром на фиг. 1.

Для подсвечиваемой области должна быть обеспечена оптимальная величина освещенности, т.е. такой облученности, при которой реализуется близкое к предельному значению отношение сигнал/шум (ψ) видеосигнала, вырабатываемого цветным фотоприемником 1-2.

Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры, как и в прототипе, предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора («кольцевого» изображения), а по величине фокусного расстояния он должен быть отнесен к классу короткофокусных.

В качестве близкого примера его технического решения можно считать панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами из Московского государственного университета геодезии и картографии [2].

Фотография кольцевого изображения, формируемого панорамным объективом, представлена на фиг. 5. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75-80) градусов по углу места.

Наличие пассивной (неинформативной) области в центре этой фотографии подтверждает целесообразность принятой в заявляемом решении организации принудительной подсветки контролируемого объекта. По этой причине, в перспективе можно считать конструктивно оправданным и выполнение осветителя 1-3 в составе панорамного объектива 1-1.

Фотоприемник 1-2, как и в прототипе [1], является единственным сенсором видеосигнала цветного изображения, в котором, благодаря применению цветного «кольцевого» фильтра, пикселы становятся чувствительными к голубой (Су), желтой (Ye), пурпурной (Mg) и зеленой (G) цветовым составляющим. Добавим, что для цветного сенсора телевизионной камеры необходимо дополнительно установить на входе ПК-фильтр 1-5.

ИК-фильтр 1-5, как и в прототипе [1], изменяет спектральную характеристику «кольцевого» фотоприемника 1-2, обеспечивая согласование со спектральной чувствительностью человеческого глаза.

Телевизионная камера 1 (см. фиг. 2) перемещается внутри цилиндрической трубы 4 посредством электропривода 6 по монорельсу 5, благодаря которому оператор компьютера 2 может осуществить диагностику технического состояния ее внутренней поверхности по всей длине.

Предлагаемый «кольцевой» фотоприемник 1-2 (см. фиг. 3) выполнен по технологии КМОП и содержит на общем кристалле «кольцевую» мишень 1-2-1 сенсора, «кольцевой» регистр 1-2-2 кадровой развертки, «кольцевой» коммутатор 1-2-3 видеосигналов, «кольцевой» мультиплексор 1-2-4 строчной развертки и «кольцевой» процессор 1-2-5 видеосигналов.

Как показано на фиг. 5, активные пикселы на мишени сенсора объединены в столбцы, которые расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца.

Каждый активный пиксел мишени (см. фиг. 5) имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 1-2-1-1, усилитель 1-2-1-2 с коэффициентом усиления K_m для каждой текущей «кольцевой» строки сенсора и встроенный АЦП 1-2-1-3.

«Кольцевой» коммутатор 1-2-3 видеосигналов состоит из отдельных коммутаторов 1-2-3-1 видеосигнала, число которых соответствует числу активных пикселов на мишени, объединенных «кольцевой» шиной видео 1-2-3-2.

Отметим, что показанная на фиг. 3 и 4 форма светочувствительной площади пиксела в виде прямоугольника, а на фиг. 5 - латинской буквы L - являются условными. На практике электроды зарядового накопления активных пикселов мишени сенсора, совпадающие с площадью их светочувствительной площади, могут быть выполнены совершенно иначе, например, с геометрической формой в виде части кругового кольца.

Управление АЦП 1-2-1-3 пиксела для каждой «кольцевой» строки мишени фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 1-2-1-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода «кольцевого» регистра 1-2-21 кадровой развертки.

Видеосигнал с выхода каждого АЦП 1-2-1-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого «радиального» столбца передается на «радиальную» шину видео 1-2-1-5. Далее при помощи «своего» ключевого МОП-транзистора коммутатора 1-2-3-1, управляемого с одного из выходов мультиплексора 1-2-4, цифровой видеосигнал текущего пиксела передается на «кольцевую» шину видео 1-2-3-2. Здесь формируется промежуточный выход «Видео» цифрового видеосигнала сенсора.

Этот видеосигнал поступает на вход «кольцевого» процессора 1-2-5 видеосигналов, где выполняется синтез цветного изображения в заданном стандартном интерфейсе, например, USB 2,0. Выход процессора 1-2-5 является и выходом «Видео» полного цифрового видеосигнала цветного изображения нового фотоприемника.

Отметим, что на фиг. 3 пунктирные стрелки показывают управление «кольцевыми» строчными шинами 1-2-1-4 фотоприемника со стороны «кольцевого» регистра 1-2-2 кадровой развертки. То, что здесь, как и на фиг. 3, изображены лишь четыре строчные шины является условностью чертежа. Как упоминалось ранее, число шин 1-2-1-4 соответствует показателю действительного числа «кольцевых» строк в заявляемом сенсоре.

Поясним дополнительно на фиг. 3 и другое. Стрелки с непрерывными линиями отмечают передачу сигнала изображения в сенсоре по «радиальным» шинам видео 1-2-1-5 в направлении к «кольцевому» коммутатору 1-2-3 видеосигналов.

В результате в «кольцевом» растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой «кольцевой» строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала фотоприемника.

Благодаря принятой для изготовления предлагаемого датчика видеосигнала технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник с АЦП для каждого активного пиксела, но и блоки цифровой развертки телевизионной камеры, а также «кольцевой» процессор видеосигналов.

Необходимо признать, что концепция матричного (прямоугольного) фотоприемника с активным пикселом, встроенным в него АЦП и цифровым видеосигналом на выходе, который предполагалось выполнить по технологии КМОП путем реализации метода «координатная адресация», была разработана американскими специалистами в «нулевые» двухтысячные годы. Об этом сообщалось и в отечественной монографии [3, с. 67, рис. 1.21]. Однако схемотехническая организация на кристалле КМОП «кольцевого» фотоприемника с аналогичными возможностями не предлагалась.

Заявляемая же здесь «кольцевая» форма мишени КМОП-фотоприемника и блоков развертки позволяет эффективнее использовать полезную площадь используемого кристалла для решения технологической задачи - телевизионно-компьютерного наблюдения цилиндрической внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра.

Конструкция этого мозаичного фильтра для фотоприемника поясняется на фиг. 4.

Здесь используется известный принцип цветного телевидения, утверждающий, что для успешного восстановления цвета, помимо сигнала яркости (Y) достаточно всего двух дополнительных сигналов. Имеются в виду сигнал цветовой разности красного (R- Y) и сигнал цветовой разности синего (B-Y).

Синтез выходного цифрового видеосигнала цветного изображения фотоприемника выполняется в «кольцевом» процессоре 1-2-5 видеосигналов.

В заявляемом решении для «кольцевого» КМОП-фотоприемника, как и в прототипе [1], используется режим накопления поля.

Отметим, что поскольку размер светочувствительного элемента в режиме накопления поля равен размеру двух пикселов сенсора по вертикали, это приводит к снижению вертикальной разрешающей способности цветного изображения, что вполне допустимо.

Первая строка содержит попарные отсчеты: (M_g+С_y), (G+Y_e), (M_g+C_y), (G+Y_e) и так далее.

Вторая строка содержит попарные отсчеты: (C_y+G), (Y_e+M_g), (С_у+G), (Y_e+M_g) и так далее.

Очевидно, что третья и другие последующие нечетные строки будут содержать такие же попарные отсчеты, как и первая строка, а четвертая и другие последующие четные строки - такие же попарные отсчеты, как и вторая строка.

Для получения яркостного сигнала для нечетных строк производится операция по алгоритму, который заключается в том, что выполняется задержка на элемент разложения и суммирование попарных отсчетов:

Коэффициент

в формуле (5) возвращает «должок», приобретенный за счет суммирования в попарных отсчетах. Очевидно, что выражение (5) можно представить так:

Применив аналогичный алгоритм для четных строк, получим следующее выражение для яркостного сигнала:

Аналогично представим выражение (7) в основных цветах:

Выражения (6) и (8) показывают, что яркостной сигнал для нечетных и четных строк одинаков.

Для получения цветоразностного сигнала синего (B-Y) выполняется операция по другому алгоритму, который заключается в том, что для нечетных строк выполняется задержка по времени на элемент разложения и вычитание попарных отсчетов:

B-Y=⎣(G+Y_e)-(M_g+C_y)⎦=[ (G+G+R)-(R+B+G+B)]=-[2B-G].

Для получения цветоразностного сигнала красного (R-Y) выполняется операция по алгоритму, аналогичному при получении цветоразностного сигнала синего, но применительно для четных строк:

B-Y=⎣(M_g+Y_e)-(G+C_y)=[(R+B+G+R)-(G+G+B)]=2R-G.

Эти два цветоразностных сигнала совместно с сигналом яркости замешиваются в цифровом виде в полный цифровой видеосигнал, снимаемый на выходе «Видео» фотоприемника.

Необходимо отметить, что для предлагаемого «кольцевого» фотоприемника световые «окна» для «кольцевого» мозаичного фильтра могут быть выполнены с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца.

Заявляемое устройство компьютерной системы работает следующим образом.

Для удобства в работе предлагаемого устройства целесообразно предусмотреть в нем дистанционное управление электроприводом 6 перемещения телевизионной камеры по командам оператора компьютера 2, подаваемым по дополнительной линии связи «Управление» (см. фиг. 1 и 2).

Допустим, что текущий угол поля зрения (γ_г) предъявляемого оператору компьютера 2 панорамного изображения внутренней поверхности трубы составляет 60 градусов по горизонтали. Тогда «кольцевой» кадр записи включает 6 (шесть) условных областей.

В этом случае оперативная память сервера 2, куда записывается панорамное монохромное или цветное изображение, содержит 6 областей входного видеосигнала текущего «кольцевого» кадра.

Далее, как и в прототипе, в компьютере 2 оператора при помощи элемента БПКП, реализующего возложенные на него функции программным путем, осуществляется операция считывания видеосигнала, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» сервера 2.

Поэтому цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности (см. фиг. 7) оператору компьютера 2, а, следовательно, и всем пользователям персональных компьютеров 3.

Это означает, что в реальном масштабе времени может быть реализован контроль шести изображений с одинаковой по полю (повышенной) четкостью наблюдаемой «картины», как у прототипа [1].

Следует отметить, что реализация поставленной в заявляемом решении задачи по повышению степени интеграции телевизионной камеры сопровождается и мультипликативным эффектом в части упрощения ее структурной схемы по сравнению с прототипом [1].

Все это гарантирует положительные предпосылки и в решении частной инженерной задачи по перемещению телевизионной камеры внутри контролируемого объекта.

Одновременно открывается и реальная перспектива применения предлагаемого метода для диагностики состояния внутренней поверхности применительно к трубам и трубопроводам среднего и малого диаметра.

В настоящее время все элементы структурной схемы устройства компьютерной системы для телевизионного кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2640756. МПК G01B 11/00, H04N 5/225. Устройство компьютерной системы для телевизионного кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра. / В.М. Смелков // Б.И. - 2018. - №2.

2. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002. - №20.

3. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К. и Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле. Под ред. А.А. Умбиталиева и А.К. Цыцулина. - М.: «Радио и связь», 2006.

Claims (8)

1. Устройство компьютерной системы для телевизионного кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра, содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и компьютер оператора в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, причем телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр монохромного или цветного изображения, размещается внутри контролируемой цилиндрической трубы или трубопровода большого диаметра, перемещается вдоль нее по монорельсу посредством электропривода и содержит в своем составе последовательно расположенные и оптически связанные осветитель, панорамный объектив и фотоприемник, причем геометрический центр осветителя находится на оптической оси панорамного объектива, диаметр осветителя не превышает диаметр пассивной части изображения для проекции панорамного объектива, формируемой в этой плоскости, а спектральная характеристика излучения осветителя соответствует спектральной характеристике чувствительности фотоприемника, при этом фотоприемник для монохромной телевизионной камеры имеет форму кругового кольца и содержит на его кристалле «кольцевую» мишень, выполненную в виде линеек светочувствительных элементов (пикселов), расположенных вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, причем число светочувствительных пикселов в каждой «кольцевой» строке одинаково, а их площадь от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии фотоприемника; для фотоприемника цветной телевизионной камеры на выходе панорамного объектива дополнительно установлен инфракрасный отсекающий фильтр (ИК-фильтр), а цветной фотоприемник состоит из монохромного сенсора и накрывающего его «кольцевую» мишень мозаичного фильтра, который разделяет свет на голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты, причем площадь светочувствительных пикселов на мишени цветного сенсора совпадает с площадью соответствующих «окон» мозаичного фильтра; при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:

где γ_г - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем, отличающееся тем, что сам фотоприемник выполнен на кристалле, изготовленном по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП), причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K_m, а также встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки сенсора, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество «радиальных» шин видео - число пикселов в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала цветного изображения, а именно: «кольцевой» регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор «кольцевой» строки; «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого «радиального» столбца, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора строчной развертки, и обеспечивают передачу видеосигнала на выходе каждой «радиальной» шины видео на «кольцевую» шину видео, а с нее - на информационный вход «кольцевого» процессора видеосигналов, выход которого является выходом «Видео» фотоприемника, причем коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки сенсора изменяется по соотношению:

где Δ₁ и Δ_m - соответственно светочувствительная площадь активного пиксела для первой и текущей «кольцевой» строки считывания в «кольцевом» сенсоре, обеспечивая одинаковую величину считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения.

2. Устройство компьютерной системы по п. 1, отличающееся тем, что осветитель выполнен в составе панорамного объектива телевизионной камеры.

3. Устройство компьютерной системы по п. 1, отличающееся тем, что электроды зарядового накопления активных пикселов мишени, а также световые «окна» у «кольцевого» мозаичного фильтра выполнены с геометрической формой в виде части кругового кольца.

4. Устройство компьютерной системы по п. 1, отличающееся тем, что управление электроприводом перемещения телевизионной камеры осуществляется по командам оператора компьютера, используемого в качестве сервера.

Images