RU2727527C1 - Телевизионная система для наблюдения за перемещением горячего проката - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к телевизионной технике, а более конкретно к аппаратуре промышленного телевидения, которая выполнена с использованием матричных фотоприемников и компьютеров. Техническим результатом является компенсация оптических потерь светоделения в телекамере, применяемой для технологического контроля при производстве проката, а также реализация селективного масштабирования изображения, когда на экране компьютерного монитора воспроизводится комбинированное изображение, которое по отношению к первоначально предъявляемому изображению состоит из увеличенного участка («окна») и остальной части с неизменным масштабом. Результат достигается тем, что в качестве сенсора первого датчика телевизионного сигнала (ДТС), а также сенсора второго ДТС используются фотоприемные матрицы, выполненные по технологии КМОП, при этом для их мишеней устанавливают необходимое соотношение коэффициентов усиления светочувствительных элементов. 2 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

Description

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике, а более конкретно к аппаратуре промышленного телевидения, которая выполнена с использованием матричных фотоприемников, изготовленных по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП), и компьютеров. Заявляемая система предназначена для технологического контроля при производстве проката путем реализации метода селективного масштабирования изображения, когда на экране компьютерного монитора воспроизводится комбинированное изображение, которое по отношению к первоначально предъявляемому изображению состоит из увеличенного участка («окна») и остальной части с неизменным масштабом.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телевизионную систему для наблюдения за перемещением горячего проката [1], транспортируемого по приводному рольгангу, которая содержит на передающей стороне телевизионную камеру (телекамеру), состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя и двух датчиков телевизионного сигнала (ДТС), выполненных по технологии матричных приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС); в состав телекамеры также входят селектор синхроимпульсов, коммутатор-смеситель, формирователь сигналов «рамка» и «окошко», редуктор, шторка и блок управления шторкой (БУШ), причем светоделитель телекамеры содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива, а второй выход светоделителя - со вторым выходом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя является выходом нормального оптического изображения (изображения общего вида) и оптически связан с фотомишенью первого ДТС, а второй выход светоделителя - выходом увеличенного оптического изображения и оптически связан с фотомишенью второго ДТС, при этом геометрические центры фотомишеней первого и второго ДТС совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали, а вход «синхро» второго ДТС подключен к выходу «синхро» первого ДТС, выход «видео» которого подключен соответственно к входу селектора синхроимпульсов и к первому информационному входу коммутатора-смесителя, второй информационный вход которого подключен к выходу «видео» второго ДТС, а третий информационный вход - к первому выходу формирователя сигналов «рамка» и «окошко», вход строчной и вход кадровой синхронизации которого подключены соответственно к первому и второму выходам селектора синхроимпульсов, а второй выход - к четвертому информационному входу коммутатора-смесителя, управляющий вход которого является первым управляющим входом телекамеры, а выход коммутатора-смесителя -выходом «видео» телекамеры; первый вход БУШ подключен к выходу «видео» селектора синхроимпульсов, а второй вход БУШ является вторым управляющим входом телекамеры, причем шторка, кинематически связанная через редуктор с ведущим валом рольганга, пространственно ориентирована относительно фотомишени первого ДТС так, что при своем движении синхронно с прокатом она (шторка) изолирует от фотомишени оптическую проекцию изображения проката, создавая на фотомишени монотонно нарастающее по площади «окно» непрозрачности, при этом в процессе движения шторка испытывает усилие, вырабатываемое на выходе БУШ, и возвращается в исходное положение при снятии этого усилия; на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи, выполняющая по первой жиле кабеля соединение выхода «видео» телекамеры с входом «видео» на компьютере, по второй жиле кабеля - соединение выхода сигнала по команде «Выбор режима видео» на компьютере с первым управляющим входом телекамеры, а по третьей жиле кабеля - соединение -выхода сигнала по команде «Управление шторкой» на компьютере со вторым управляющим входом телекамеры.

В прототипе [1] реализуется расширение динамического диапазона изображения для объектов контроля, передаваемых в комбинированном изображении вне «окна» при помощи первого ДТС в режиме автоматической регулировки чувствительности. Этот результат достигается путем оценки зарядового рельефа по всей площади его фотомишени, за исключением области раскаленного проката, благодаря наличию в составе телекамеры подвижной шторки, которая полностью изолирует текущую проекцию оптического изображения.

Поэтому для прототипа [1]отношение сигнал/шум (ψ) для передаваемых вне области проката темных и/или низко освещенных деталей сцены увеличивается пропорционально увеличению для них длительности накопления, а, следовательно, и энергии полезного сигнала.

Однако следует признать и наличие существенного недостатка у прототипа [1]. Этот выигрыш априори ограничен, т.к. в телекамере имеет место снижение чувствительности сенсора первого ДТС за счет оптических потерь светоделителя, вызывающих снижение освещенности на первом его выходе по отношению к освещенности на его втором выходе.

Обозначим основные параметры для оптических элементов светоделителя и произведем расчет возникающих оптических потерь.

Итак, имеем следующие показатели:

D/ƒ - относительное отверстие дополнительного объектива телекамеры(объектива светоделителя);

τ₁ - коэффициент пропускания объектива светоделителя;

τ₂ - коэффициент пропускания коллективной линзы светоделителя.

Тогда величина коэффициента оптических потерь светоделителя β может быть определена по формуле:

На практике величина коэффициента β может достигать значения одного порядка (10 раз).

Задачей изобретения является компенсация оптических потерь светоделения в телекамере путем использования в качестве сенсора первого ДТС, а также сенсора второго ДТС фотоприемных матриц КМОП, устанавливая для их мишеней необходимое соотношение коэффициентов усиления светочувствительных элементов.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телевизионную систему для наблюдения за перемещением горячего проката, транспортируемого по приводному рольгангу, которая содержит на передающей стороне телекамеру, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя и двух ДТС, селектора синхроимпульсов, коммутатора-смесителя, формирователя сигналов «рамка» и «окошко», редуктора, шторки и БУШ, причем светоделитель телекамеры содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива, а второй выход светоделителя - со вторым выходом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя является выходом нормального оптического изображения (изображения общего вида) и оптически связан с фотомишенью первого ДТС, а второй выход светоделителя - выходом увеличенного оптического изображения и оптически связан с фотомишенью второго ДТС, при этом геометрические центры фотомишеней первого и второго ДТС совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали, а вход «синхро» второго ДТС подключен к выходу «синхро» (выходу сигнала синхронизации приемника) первого ДТС, выход «видео» которого подключен соответственно к входу селектора синхроимпульсов и к первому информационному входу коммутатора-смесителя, второй информационный вход которого подключен к выходу «видео» второго ДТС, а третий информационный вход - к первому выходу формирователя сигналов «рамка» и «окошко», вход строчной и вход кадровой синхронизации которого подключены соответственно к первому и второму выходам селектора синхроимпульсов, а второй выход - к четвертому информационному входу коммутатора-смесителя, управляющий вход которого является первым управляющим входом телекамеры, а выход коммутатора-смесителя - выходом «видео» телекамеры: первый вход БУШ подключен к выходу «видео» селектора синхроимпульсов, а второй вход БУШ является вторым управляющим входом телекамеры, причем шторка, кинематически связанная через редуктор с ведущим валом рольганга, пространственно ориентирована относительно фотомишени первого ДТС так, что при своем движении синхронно с прокатом она (шторка) изолирует от фотомишени оптическую проекцию изображения проката, создавая на фотомишени монотонно нарастающее по площади «окно» непрозрачности, при этом в процессе движения шторка испытывает усилие, вырабатываемое на выходе БУШ, и возвращается в исходное в исходное положение при снятии этого усилия; на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи, выполняющая по первой жиле кабеля соединение выхода «видео» телекамеры с входом «видео» на компьютере, по второй жиле кабеля - соединение выхода сигнала по команде «Выбор режима видео» на компьютере с первым управляющим входом телекамеры, а по третьей жиле кабеля - соединение выхода сигнала по команде «Управление шторкой» на компьютере со вторым управляющим входом телекамеры, при этом по сравнению с прототипом [1], в телекамере системы первый и второй ДТС соответственно выполнены согласно работе [2, с. 64, рис. 1.18] на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет коэффициент усиления K₁, а также транзисторный МОП-ключ, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в активные столбцы, каждый из которых имеет дополнительно усилитель видеосигнала с коэффициентом усиления K₂, причем управление МОП-ключами активных пикселов, расположенных по горизонтали, осуществляется при помощи отдельно взятой горизонтальной (строчной) шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество шин видео - число элементов (пикселов) в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещается его электронное «обрамление - блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения видеосигнала, а именно: регистр вертикальной (кадровой) развертки, осуществляющий выбор строки; ключевые МОП-транзисторы для каждого активного столбца, обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе его усилителя на соответствующий вход мультиплексора горизонтальной (строчной) развертки, который выполняет подключение видеосигнала с каждого активного пиксела на вход выходного усилителя с коэффициентом усиления K₃, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора, причем для компенсации оптических потерь светоделения величина коэффициента усиления K₁ первого ДТС в β раз превышает величину коэффициента усиления K₁ второго ДТС, где величина коэффициента β вычисляется по формуле (1).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая телевизионная система отличается от прототипа [1] реализацией в качестве фотоприемников первого и второго ДТС телекамеры матричных приборов, изготовленных по технологии однокристальной КМОП.

Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.

На фиг. 1 изображена структурная схема заявляемой телевизионной системы, на фиг. 2 - схемотехническая организация фотоприемников телекамеры; на фиг. 3 - структурная схема блока управления шторкой (БУШ); на фиг. 4 - возможная электрическая схема выполнения блока сопряжения «цифра - усилие», входящего в состав БУШ; на фиг. 5…7 - изображения на экране монитора компьютера, поясняющие работу телевизионной системы, при этом на фиг. 5а, 6а и 7а представлены изображения в режиме видео «Общий вид» для трех последовательных временных моментов, а на фиг. 5б, 6б и 7б - изображения в режиме видео «Комбинированное изображение» в эти моменты соответственно.

Заявляемая телевизионная система для наблюдения за перемещением горячего проката (см. фиг. 1) содержит на передающей стороне телекамеру в позиции 1, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива 1-1, светоделителя 1-2 и двух ДТС 1-3 и 1-4, причем первый выход светоделителя 1-2 является выходом нормального оптического изображения и оптически связан с фотомишенью первого ДТС 1-3, а второй выход светоделителя 1-2 - выходом увеличенного оптического изображения и оптически связан с фотомишенью второго ДТС 1-4, при этом геометрические центры фотомишеней ДТС 1-3 и ДТС 1-4 совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали, а вход «синхро» ДТС 1-4 подключен к выходу «синхро» ДТС 1-3, выход «видео» которого подключен к входу селектора 1-5 синхроимпульсов, причем в состав телекамеры 1 также входят коммутатор-смеситель 1-6, формирователь 1-7 сигналов «рамка» и «окошко», редуктор 1-8, шторка 1-9 и блок управления шторкой (БУШ) 1-10, при этом выход «видео» селектора 1-5 подключен к первому входу БУШ 1-10, первый выход селектора 1-5 - к входу строчной синхронизации формирователя 1-7, а второй выход селектора 1-5 - к входу кадровой синхронизации формирователя 1-7, при этом выход «видео» ДТС 1-3 подключен к первому информационному входу коммутатора-смесителя 1-6, второй информационный вход которого подключен к выходу «видео» ДТС 1-4, а третий информационный вход коммутатора-смесителя 1-6 - к первому выходу формирователя 1-7, второй выход которого подключен к четвертому информационному входу коммутатора-смесителя 1-6, управляющий вход которого является первым управляющим входом телекамеры 1, второй вход БУШ 1-10 - вторым управляющим входом телекамеры 1, а выход коммутатора-смесителя 1-6 - выходом «видео» телекамеры 1, которая через линию связи 2 соединена с персональным компьютером 3, расположенным на приемной стороне телевизионной системы, при этом линия связи 2 выполняет по трем жилам кабеля соединения: выход «видео» телекамеры - вход «видео» на компьютере; выход сигнала по команде «Выбор режима видео» на компьютере - первый управляющий вход телекамеры и выход сигнала по команде «Управление шторкой» на компьютере - второй управляющий вход телекамеры, причем шторка 1-9 телекамеры 1, кинематически связанная через редуктор 1-8 с ведущим валом рольганга, пространственно ориентирована относительно фотомишени ДТС 1-3 так, что при своем движении синхронно с прокатом шторка 1-9 изолирует от фотомишени ДТС 1-3 оптическую проекцию изображения проката, создавая на фотомишени ДТС 1-3 монотонно нарастающее по площади «окно» непрозрачности, при этом в процессе движения шторка 1-9 испытывает усилие, вырабатываемое на выходе БУШ 1-10, и возвращается в исходное начальное положение при снятии этого усилия.

В поле зрения телекамеры 1, как показано на фиг. 1 находятся движущийся прокат (позиция 4), измерительная линейка (позиция 5), а также окружающие их объекты технологической обстановки. Приводной рольганг, транспортирующий прокат 4, занимает на фиг. 1 позицию 6. Ведущий вал рольганга имеет позиционное обозначение 6-1.

В заявляемом решении ДТС 1-3 и 1-4, как и в прототипе, синхронизированы в режиме Genlock с привязкой частоты и фазы горизонтальной и вертикальной разверток по сигналу синхронизации приемника (ССП) от датчика 1-3. Возможна и другая, не показанная на фиг. 1, организация внешней синхронизации: по сигналу ССП с выхода «синхро» ДТС 1-4 на вход «синхро» ДТС 1-3.

Светоделитель 1-2, как и в прототипе, содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало 1-2-1, коллективную линзу 1-2-2, отражающее зеркало 1-2-3 и дополнительный объектив 1-2-4, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала 1-2-1, первый выход светоделителя - с выходом объектива 1-2-4, а второй выход светоделителя - со вторым выходом полупрозрачного зеркала 1-2-1.

Величина разнесения по горизонтали геометрических центров фотомишеней ДТС 1-3 и 1-4 определяется величиной

где L - ширина оптического кадра входного объектива 1-1,

- ширина фотомишени ДТС 1-4.

Схемотехническая организация фотоприемника для ДТС 1-3 и ДТС 1-4 телекамеры представлена на фиг. 2.

Сенсор выполнен по технологии КМОП и содержит на общем кристалле фотоприемную область (мишень) в позиции 4, регистр кадровой развертки в позиции 5 и мультиплексор строчной развертки в позиции 6.

Каждый активный пиксел мишени, см. фиг. 2, имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 4-1, усилитель 4-2 с коэффициентом усиления K₁ и МОП-ключ (ключевой МОП-транзистор в позиции 4-3.

Управление ключевого МОП-транзистора 4-3 пиксела для каждой строки фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 4-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода регистра 5 кадровой развертки.

Видеосигнал с выхода каждого ключевого МОП-транзистора 4-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого активного столбца передается шину видео 4-5, а затем - на вход усилителя столбца 4-6 с коэффициентом усиления K₂. Далее с выхода усилителя 4-6 при помощи ключевого МОП-транзистора 4-7, управляемого с одного из выходов мультиплексора 6, видеосигнал транслируется на вход выходного усилителя 4-8 с коэффициентом усиления K₃ для получения необходимого уровня аналогового видеосигнала текущего пиксела данного активного столбца на выходе сенсора.

Заметим, что выходной усилитель 4-8 - не принадлежность этого отдельно взятого активного столбца, а является общим элементом для всех активных столбцов прибора.

То же самое формирование видеосигнала происходит и в пределах других активных столбцов мишени 4 данного сенсора.

В результате на выходе усилителя 4-8 в прямоугольном растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала фотоприемника.

Благодаря принятой для изготовления сенсора технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник, но и блоки развертки телевизионной камеры, которые могут быть реализованы с существенным понижением их энергопотребления.

Предполагается, что, как и в прототипе [1], каждый из ДТС с КМОП-фотоприемником снабжен блоком автоматической регулировки времени накопления (АРВН) за кадр, выполненным на том же общем кристалле.

Редуктор 1-8 предназначен для выполнения от ведущего вала 6-1 рольганга механической передачи (зубчатой и червячной) с целью обеспечения поступательного движения шторки 1-9 синхронно с транспортированием горячего проката 4.

В процессе перемещения горячего проката шторка 1-9, входящая в состав телекамеры, осуществляет изоляцию проекции оптического изображения раскаленного и яркосветящегося проката от фотомишени первого ДТС. Очевидно, что ширина шторки выбирается исходя из вертикального размера этой проекции проката.

Блок управления шторкой (БУШ) 1-10 предназначен для инициализации процесса движения шторки 1-9 и управления ее возвратом в исходное начальное положение.

БУШ 1-10 (см. фиг. 3) содержит последовательно соединенные пиковый детектор 1-10-1 и компаратор 1-10-2, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению U_n, а выход компаратора 1-10-2 - к первому входу элемента «И» 1-10-3, второй вход которого подключен к выходу элемента «НЕ» 1-10-4, а выход элемента «И» 1-10-3 - к входу блока 1-10-5 сопряжения «цифра - усилие», при этом информационный вход пикового детектора 1-10-1 является первым входом БУШ, второй вход которого подключен к входу элемента «НЕ» 1-10-4 и соответственно к входу формирователя 1-10-6 импульса сброса, выход которого подключен у управляющему входу пикового детектора 1-10-1, а выход блока 1-10-5 сопряжения «цифра - усилие» является выходом БУШ.

Пиковый детектор 1-10-1 предназначен для регистрации наибольшего уровня напряжения в видеосигнале на его информационном входе. Погрешность спада выходного напряжения пикового детектора должна позволять хранить этот уровень на время цикла одной «поездки» проката.

Формирователь 1-10-6 импульса сброса обеспечивает обнуление пикового детектора 1-10-1. Схема блока 1-10-6 может быть выполнена на основе технического решения формирователя импульса по спаду сигнала, предложенного в работе [3, с. 173].

Блок 1-10-5 сопряжения «цифра - усилие» предназначен для управления силовым механизмом электромагнита при помощи цифровой слаботочной электроники, выполненной по технологии КМОП. Электрическая схема блока 1-10-5 (см. фиг. 4) в настоящей заявке выполнена на основе технического решения, предложенного в работе [4, с. 222-223].

В исходном состоянии на обоих входах элемента «И» 1-10-3 устанавливается низкий логический уровень (логический «0»), тогда на его выходе тоже логический «0», а оптопара оказывается включенной. При этом запирается переход база - эмиттер транзистора VT1, а в результате отсутствует возбуждение транзистора VT2, и с обмотки электромагнита снято напряжение.

Если на оба входа элемента «И» 1-10-3 подается высокий логический уровень (логическая «1»), оптопара выключается, а транзистор VT1 отпирается, что приводит к открыванию и транзистора VT2. Тогда в обмотке электромагнита протекает ток, и в итоге создается необходимое усилие на шторку 1-9. Когда же на любой из входов элемента «И» 1-10-3 будет подан логический «0», то на его выходе установится тоже «0», а обмотка электромагнита будет обесточена.

Компьютер 3 предназначен для дистанционного выбора режимов работы телекамеры 1 и воспроизведения на экране его монитора транслируемых с телекамеры 1 сигналов изображения.

Наименование формируемых команд управления, обозначение выбираемых режимов и характеристика транслируемых сигналов с компьютера представлены в табл. 1.

Отметим, что целесообразно осуществлять подачу указанных команд через унифицированный интерфейс, например RS-232.

Формирователь 1-7 предназначен для получения:

сигнала «рамка» на первом выходе;

сигнала «окошко» на втором выходе.

Формирование обоих сигналов целесообразно выполнить цифровым методом, например, на базе широко применяемого в России процессора PIC16C73 -201/SP.

Как и в прототипе, размеры «рамки» определяются соотношениями:

a=X/K_м; b=Y/К_м,

где X и Y - размеры растра по горизонтали и вертикали соответственно;

К_м - кратность масштабирования изображения.

Формат «рамки»: a/b=4/3, где a - ширина рамки, b - высота рамки

Ширина «окна» (А) равна длительности активной (видимой) части строки, т.е. А=X, а высота «окна» (B) совпадает с вертикальным размером рамки (b), т.е. B=b, но само «окно», как и в прототипе [1], всегда расположено в центре изображения симметрично относительно горизонтальной оси экрана. Координаты геометрического центра рамки: по горизонтали - (Х-a/2), а по вертикали - (Y/2), где Y - высота экрана.

Для увеличения длины горячего проката, находящегося в поле зрения телевизионной системы, входной объектив 1-1 должен иметь широкий угол поля зрения при стандартной величине формата кадра 4/3. Например, отечественный объектив «Зенитар-М 2,8/16» может обеспечить для диагонали фотомишени датчика 1-3, равной 1/3 дюйма, поле зрения по горизонтали не менее 100 угловых градусов.

Телевизионная система (см. фиг. 1) работает следующим образом. Выделим в работе системы два упомянутых ранее режима работы по видео:

«Общий вид»;

«Комбинированное изображение».

Оба этих режима имеют непосредственное отношение к телекамере 1, а поэтому являются и ее режимами.

Как и в прототипе [1], независимо от режима работы камеры входное оптическое изображение по оптическому пути: входной объектив 1-1, полупрозрачное зеркало 1-2-1, коллективная линза 1-2-2, отражающее зеркало 1-2-3, дополнительный объектив 1-2-4 проецируется на фотомишень первого ДТС 1-3 телевизионного сигнала.

Одновременно увеличенный (в соответствии с кратностью масштабирования К_м светоделителя 1-2) фрагмент этого изображения, границы которого определяются электронной рамкой, по другому оптическому пути: входной объектив 1-1, полупрозрачное зеркало 1-2-1 проецируется на фотомишень второго ДТС 1-4.

Отметим, что кратность масштабирования К_м светоделителя 1-2, как и в прототипе [1], определяется отношением ширины (высоты) оптического кадра входного объектива 1-1 к соответствующим сторонам фотомишени второго ДТС 1-4.

В результате фотоэлектрического преобразования оптическое изображение каждого из ДТС преобразуется далее в соответствующие аналоговые видеосигналы, а из полного телевизионного сигнала (композитного видеосигнала), формируемого на выходе ДТС 1-3, селектор 1-5 выделяет сигнал изображения, а также строчные и кадровые синхроимпульсы.

Пусть с компьютера 3 подана команда на установку в телевизионной системе режима «Общий вид». Тогда по линии связи 2 на управляющий вход коммутатора-смесителя 1-6 приходит сигнал логической «1» (см. табл. 1).

В блоке 1-6 выполняется микширование видеосигнала нормального изображения, поступающего на его первый информационный вход, с сигналом рамки, подаваемым на его третий информационный вход. На экране компьютерного монитора будет воспроизводиться нормальное изображение объекта с наложенной на него рамкой.

Предварительно выполненная пространственная ориентация телекамеры 1 должна быть такой, чтобы изображение измерительной линейки 5 было расположено в центре экрана параллельно его ширине, как показано на фиг. 5а. Одновременно оператор наблюдает на экране монитора появляющееся слева изображение горячего проката.

В этот момент оператор должен подать с компьютера 3 команду «Управление шторкой» для обеспечения в телекамере 1 режима «Инициализация шторки». В результате выполнения этой команды на второй вход БУШ 1-10 поступает сигнал логического «0» (см. табл. 1), который затем инвертируется в элементе «НЕ» 1-10-4 (см. фиг. 3), обеспечивая подачу сигнала логической «1» на второй вход элемента «И» 1-10-3. Одновременно положительный импульс, формируемый на выходе блока 1-10-6, обеспечивает обнуление пикового детектора 1-10-1.

По сигналу «видео», поступающего на первый вход БУШ 1-10 пиковый детектор 1-10-1 высоким уровнем на выходе регистрирует появляющийся передний конец раскаленного проката. Компаратор 1-10-2 в ситуации, когда U_видео>U_n формирует на выходе высокий логический уровень («1»), который поступает на первый вход элемента «И» 1-10-3.

Поэтому на выходе элемента «И» 1-10-3 формируется тоже «1», по обмотке электромагнита протекает ток, а инициализация шторки 1-9 успешно выполнена. Ее итогом является осуществление механического сцепления шторки 1-9 с редуктором 1-8 и последующее поступательное движение шторки 1-9 синхронно с перемещением проката 4.

В результате в режиме «Инициализация шторки» в телекамере для ДТС 1-3 будет обеспечена полная физическая изоляция проекции оптического изображения перемещающегося проката от мишени его фотоприемника.

Одна из задач оператора состоит в том, чтобы проконтролировать появление переднего конца проката 4, движущегося параллельно измерительной линейке 5, на заключительном ее участке, т.е. когда прокат «войдет» в рамку, остановив движение напротив заданной отметки на линейке.

При переводе телевизионной системы в режим «Комбинированное изображение» на управляющем входе коммутатора-смесителя 1-6 устанавливается сигнал логического «0», а на его выходе, а, следовательно, и выходе «видео» телекамеры, формируется композитный видеосигнал синтезированного изображения, состоящий из сигнала увеличенного «внутрирамочного» фрагмента в границах «окна», и сигнала нормального изображения на его остальной части (см. фиг. 5б). Отметим, что изображение горячего проката в «окне» не передается, т.к. в данное время прокат не находится в поле зрения ДТС 1-4. Учитывая, что основное поле зрения датчика 1-4 занимает металлическая линейка 4 с высоким коэффициентом отражения светового потока, время накопления (t_н2) его фотоприемника автоматически установится на достаточно малую величину.

В заявляемом решении составляющая комбинированного изображения вне «окна» формируется ДТС 1-3 при времени накопления t_н1>t_н2, которое будет оптимальным или близким к оптимальному значению экспозиции для данных объектов (деталей) сцены с малой яркостью и/или пониженной освещенностью.

Затем в процессе технологического перемещения горячего проката его оптическое изображение попадает в поле зрения датчика 1-4 (см. фиг. 6а), поэтому в «окне» комбинированного изображения наблюдается появление увеличенного телевизионного изображения переднего конца «въезжающего» проката (см. фиг. 6б).

Допустим, что процесс транспортирования проката должен быть остановлен оператором на отметке измерительной линейки 4, которая расположена напротив геометрического центра рамки, что для комбинированного изображения соответствует его середине по горизонтали. Тогда оператор плавно тормозит движение проката, добиваясь полной его остановки в момент передачи изображения на экране монитора, показанного на фиг. 7б. Очевидно, что в этом случае изображение шторки, закрывающей прокат, занимает половину размера «рамки» по горизонтали (см. фиг. 7а).

После завершения транспортирования горячего проката выполняется резка металла и снятие с рольганга заготовки - готового отрезка проката.

Оператор телевизионной системы в это время с компьютера 3 подает на телекамеру команду «Управления шторкой» в виде сигнала логической «1».

В результате в блоке 1-10 элемент «И-НЕ» 1-10-3 (см. фиг. 3) формирует на выходе низкий логический уровень, а в блоке 1-10-5 сопряжения (см. фиг. 4) обесточивается электромагнит, возвращая шторку 1-9 в начальное исходное положение.

В дальнейшем операция по транспортированию горячего проката может быть повторена точно так же, как это было описано выше.

В изображении общего плана технологической обстановки, передаваемого в комбинированном изображении от ДТС 1-3 при «длительном времени» накопления (t_н1), автоматически обеспечивается повышенное отношении сигнал/шум (ψ) для темных и/или низко освещенных деталей этой сцены, а, следовательно, расширение динамического диапазона градаций яркости этого изображения. Этот вывод одинаково справедлив как для монохромного (черно-белого) видеосигнала, так и для видеосигнала цветного изображения.

По сравнению с прототипом [1], выигрыш в динамическом диапазоне здесь получается больше, т.к. при прочих равных условиях осуществляется компенсация оптических потерь светоделения, а, следовательно, и повышение чувствительности первого ДТС 1-3 на такую же величину.

Необходимо отметить, что компенсации оптических потерь выполняется посредством увеличения в β раз коэффициента усиления светочувствительных пикселов фотомишени первого ДТС, а сам процесс этого усиления является усилением фотогенерированных зарядовых сигналов, т.е. докоммутационным усилением, вносящим минимум шумов.

В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент №2461142 РФ. МПК H04N 7/00. Телевизионная система для наблюдения за перемещением горячего проката / В.М. Смелков // Б.И. - 2012. -№25.

2. 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.

3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники в трех томах. Том 2. Пер. с англ. - М.: «Мир», 1993.

4. Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. Пер. с англ. - М.: «Мир», 1985.

Claims (7)

1. Телевизионная система для наблюдения за перемещением горячего проката, транспортируемого по приводному рольгангу, которая содержит на передающей стороне телевизионную камеру (телекамеру), состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя и двух датчиков телевизионного сигнала (ДТС), селектора синхроимпульсов, коммутатора-смесителя, формирователя сигналов «рамка» и «окошко», редуктора, шторки и блока управления шторкой (БУШ), причем светоделитель телекамеры содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива, а второй выход светоделителя - со вторым выходом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя является выходом нормального оптического изображения (изображения общего вида) и оптически связан с фотомишенью первого ДТС, а второй выход светоделителя - выходом увеличенного оптического изображения и оптически связан с фотомишенью второго ДТС, при этом геометрические центры фотомишеней первого и второго ДТС совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали, а вход «синхро» второго ДТС подключен к выходу «синхро» (выходу сигнала синхронизации приемника) первого ДТС, выход «видео» которого подключен соответственно к входу селектора синхроимпульсов и к первому информационному входу коммутатора-смесителя, второй информационный вход которого подключен к выходу «видео» второго ДТС, а третий информационный вход - к первому выходу формирователя сигналов «рамка» и «окошко», вход строчной и вход кадровой синхронизации которого подключены соответственно к первому и второму выходам селектора синхроимпульсов, а второй выход - к четвертому информационному входу коммутатора-смесителя, управляющий вход которого является первым управляющим входом телекамеры, а выход коммутатора-смесителя - выходом «видео» телекамеры: первый вход БУШ подключен к выходу «видео» селектора синхроимпульсов, а второй вход БУШ является вторым управляющим входом телекамеры, причем шторка, кинематически связанная через редуктор с ведущим валом рольганга, пространственно ориентирована относительно фотомишени первого ДТС так, что при своем движении синхронно с прокатом она (шторка) изолирует от фотомишени оптическую проекцию изображения проката, создавая на фотомишени монотонно нарастающее по площади «окно» непрозрачности, при этом в процессе движения шторка испытывает усилие, вырабатываемое на выходе БУШ, и возвращается в исходное положение при снятии этого усилия; на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи, выполняющая по первой жиле кабеля соединение выхода «видео» телекамеры с входом «видео» на компьютере, по второй жиле кабеля - соединение выхода сигнала по команде «Выбор режима видео» на компьютере с первым управляющим входом телекамеры, а по третьей жиле кабеля - соединение выхода сигнала по команде «Управление шторкой» на компьютере со вторым управляющим входом телекамеры, отличающаяся тем, что в телекамере системы первый и второй ДТС соответственно выполнены на кристалле сенсора, изготовленном по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП), путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет коэффициент усиления K₁, а также транзисторный МОП-ключ, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в активные столбцы, каждый из которых имеет дополнительно усилитель видеосигнала с коэффициентом усиления K₂, причем управление МОП-ключами активных пикселов, расположенных по горизонтали, осуществляется при помощи отдельно взятой горизонтальной (строчной) шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество шин видео - число элементов (пикселов) в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещается его электронное «обрамление» - блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения видеосигнала, а именно: регистр вертикальной (кадровой) развертки, осуществляющий выбор строки; ключевые МОП-транзисторы для каждого активного столбца, обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе его усилителя на соответствующий вход мультиплексора горизонтальной (строчной) развертки, который выполняет подключение видеосигнала с каждого активного пиксела на вход выходного усилителя с коэффициентом усиления K₃, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора, причем для компенсации оптических потерь светоделения величина коэффициента усиления K₁ первого ДТС в β раз превышает величину коэффициента усиления K₁ второго ДТС, где величина коэффициента β вычисляется по формуле:

где D/ƒ - относительное отверстие дополнительного объектива телекамеры (объектива светоделителя);

τ₁ - коэффициент пропускания объектива светоделителя;

τ₂ - коэффициент пропускания коллективной линзы светоделителя.

2. Телевизионная система по п. 1, отличающаяся тем, что в телекамере первый и второй ДТС синхронизированы по сигналу синхронизации приемника от второго ДТС, выход «синхро» которого подключен к входу «синхро» первого ДТС.

3. Телевизионная система по п. 1, отличающаяся тем, что блок управления шторкой (БУШ) телекамеры содержит последовательно соединенные пиковый детектор и компаратор, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению, а выход компаратора - к первому входу элемента «И», второй вход которого подключен к выходу элемента «НЕ», а выход элемента «И» - к входу блока сопряжения «цифра - усилие», при этом информационный вход пикового детектора является первым входом БУШ, второй вход которого подключен к входу элемента «НЕ» и соответственно к входу формирователя импульса сброса, выход которого подключен к управляющему входу пикового детектора, а выход блока сопряжения «цифра - усилие» является выходом БУШ.

Images