CC BY
62
СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, доктор технических наук
ТЕЛЕКАМЕРА И ВИДЕОДЕТЕКТОР ДВИЖЕНИЯ НА МАТРИЦЕ ПЗС: СОВМЕСТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Рассмотрен подход к задаче интегрирования, видеодетектора движения, и телекамеры, в составе единственного прибора.
Ключевые слова: видеодетектор движения, телекамера, матрица ПЗС.
It is considered, to the problem, of integrating video motion detector (VMD) and TV camera in composition, of the single instrument. Keywords: VMD, TV-camera, CCD-matrix.
Ранее была опубликована статья, автора [1], посвященная, решению задачи расширения, динамического диапазона телевизионной камеры, которая, выполнена на базе специализированной матрицы ПЗС с организацией «строчно-кадровый перенос».
В настоящей статье автор предлагает. использовать этот, сенсор в качестве датчика при разработке другого устройства охранного телевидения — видеодетектора движения, или обнаружителя движения по терминологии отечественного ГОСТ Р51558-2000. Согласно принятому определению это телевизионное устройство, формирующее сигнал извещения о тревоге при обнаружении изменений, обусловленных движением (появлением) цели на сцене.
Отличительной особенностью решения является интеграционный подход к проектированию, когда обеспечивается не просто выполнение функций детектора движения и телекамеры в одном приборе, но и максимально возможное совмещение всех аппаратных средств.
Предлагаемый «совмещенный» телевизионный прибор является устройством дискретно-аналогового типа. За
[ Матрица ПЗС 2 ) [ Объектив 1 J
Блок задержки » Коммутатор-
на кадр 13 смеситель 14
Рис. 1. Структурная схема устройства на матрице ПЗС «СКП»
счет исключения шума квантования видеосигнала в этом приборе аналоговый детектор движения по сравнению с цифровым детектором обладает потенциально более высоким отношением сигнал/шум, учитывая
оценку сигнала межкадровой разности, приведенной к информационному входу порогового устройства (компаратора).
Структурная схема данного устройства показана на рис. 1.
Устройство содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1 и трехфазную матрицу 2 ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной секции 2-1, первого выходного регистра 2-2, первого блока преобразования «заряд — напряжение» (БПЗН) 2-3, разделительного электрода 2-4, секции хранения 2-5, второго выходного регистра 2-6 и второго БПЗН 2-7; временной контроллер 3; первый трехфазный преобразователь уровней (ПУ) 4; второй трехфазный ПУ 5; третий трехфазный ПУ 6; последовательно
соединенные сигнальный процессор 7 и формирователь 8 сигнала тревоги; видеоконтрольный блок 9, последовательно соединенные формирователь импульсов фотозатвора (ФИФ) 10 и первый ПУ 11; второй ПУ 12, последовательно соединенные блок 13 задержки на кадр и коммутатор-смеситель 14. Функциональная схема технологической организации матрицы 2 ПЗС представлена на рис. 2. Фотоприемная секция 2-1 матрицы ПЗС имеет типовую конструкцию для матриц ПЗС с организацией «строчный перенос». Она обеспечивает накопле-
ние зарядовых пакетов в светочувствительных элементах, в качестве которых используются фотодиоды, организованные в столбцы. В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится нечувствительный к свету вертикальный ПЗС-регистр, отделенный от фотодиодов фотозатвором. Во время накопления зарядовых пакетов в фотодиодах на фотозатвор подается низкий уровень напряжения, обеспечивающий потенциальный барьер между фотодиодами и вертикальным ПЗС-регистром. По окончании накопления на фотозатвор кратковременно подается высокий уровень напряжения, разрешающий перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в вертикальных ПЗС-регистрах. Зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров секции 2-1 построчно переносятся в выходной регистр 2-2, из которого поэлементно считываются через БПЗН 2-3. По организации управления матрица ПЗС может быть не только трехфазной, но и двухфазной или четырехфазной [2, с. 26-30].
Но это направление зарядового переноса не является единственным, т.к. на общем кристалле матрицы ПЗС, кроме указанных областей, расположены разделительный электрод 2-4, секция хранения 2-5, выходной регистр 2-6 и БПЗН 2-7. Разделительный электрод 2-4 разрешает построчный перенос зарядов из вертикальных регистров секции 2-1 сквозь регистр 2-2 в секцию хранения 2-5 или изолирует секцию 2-5 от такого переноса.
Важно отметить, что при конструировании нагрузочных полевых транзисторов для БПЗН 2-3 и 2-7 площади их затворов (5) должны быть выбраны одинаковыми, т.е. Б, = 52.
Трехфазные ПУ 4-6 обеспечивают преобразование входных ТТЛ- или КМОП-уровней в управляющие сигналы, подаваемые трехфазные шины матрицы ПЗС.
Следует также отметить, что при использовании в предлагаемом устройстве двухфазной или четырехфазной по управлению матрицы ПЗС блоки ПУ 4-6 должны быть тоже двухфазными или четырехфазными.
Сигнальный процессор 7 предназначен для двухканального усиления и
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Г
ш
г
г
ж)'
з)
(Т) V У ^^
4 * Г
2ТГ
и).
Рис. 3. Временная диаграмма, поясняющая работу устройства (начало)
обработки сигнала изображения с выходов матрицы ПЗС, формирования композитного видеосигнала, формирования видеосигнала межкадровой разности и оценки тревожной ситуации компаратором.
ФИФ 10 предназначен для создания логического сигнала управления фотозатвором матрицы ПЗС.
ПУ 11 предназначен для преобразования логических уровней сигнала ФИФ 10 в управляющие уровни смещений, подаваемых на фотозатвор матрицы ПЗС. ПУ 12 предназначен для преобразования логических уровней сигнала с выхода временного контроллера 3 в управляющие уровни смещений, подаваемых на разделительный электрод 2-4 матрицы ПЗС.
Блок 13 задержки на кадр предназначен для выполнения временной задержки входного композитного
видеосигнала на один кадр в режиме прогрессивной развертки сигнала изображения
Коммутатор-смеситель 14 предназначен для синтеза выходного композитного видеосигнала, в котором устранены пропуски информативного сигнала изображения, возникающие в интервале хранения зарядового сигнала кадра в секции 2-5 матрицы ПЗС. Предлагаемое телевизионное устройство работает следующим образом. Изображение наблюдаемого пространства с выходного окна объектива 1 проецируется на фотоприемную секцию 2-1 матрицы ПЗС.
Будем вести изложение со ссылкой на общую временную диаграмму работы телевизионного устройства, представленную на рис. 3, 4, предполагая, что в матрице ПЗС осуществляется прогрессивная развертка изображения, а меж-
кадровое сравнение выполняется с периодом 2Тк, где Тк — период кадров. Период Тс означает на диаграммах период строчной развертки.
Для определенности изложения описания работы заявляемого телевизионного устройства предположим, что в качестве матрицы ПЗС используется трехфазный прибор с каналом л-типа. При низком уровне напряжения на фотозатворе матрицы ПЗС (рис. 3б) на фотодиодах секции 2-1 осуществляется накопления зарядовой картины кадра. В начале интервала кадрового гашения (рис. 3а) уровень напряжения на фотозатворе матрицы ПЗС в течение длительности 1фотозатвора становится высоким, разрешая горизонтальный перенос накопленных зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в вертикальных ПЗС-регистрах секции 2-1.
Затем в течение оставшегося интервала кадрового гашения выполняется трехфазный вертикальный перенос этих зарядов из секции 2-1 сквозь выходной регистр 2-2 и разделительный электрод 2-4 в секцию 2-5 (рис. 4а—в и рис. 4г—е). Отметим, что на разделительном электроде 2-4 на это время присутствует высокий потенциал (рис. 3ж).
Далее на разделительном электроде 2-4 устанавливается низкий потенциал. Поэтому в течение последующей активной части кадра в секции 2-5 осуществляется хранение под вторыми фазовыми электродами перенесенных зарядовых пакетов (рис. 4д), а в выходном регистре 2-2 выполняется поэлементный горизонтальный перенос и считывание каждого пиксела в БПЗН 2-3 темнового сигнала кадра, образовавшегося за это время в вертикальных ПЗС-регистрах секции 2-1. Отметим, что этот кадр является бесполезным («ложным») кадром, и он должен рассматриваться как пропуск информативного видеосигнала. Но, как будет показано ниже, на композитный видеосигнал, подаваемый на виде-оконтрольный блок, этот ложный кадр влияния не оказывает.
Начало нового интервала кадрового гашения повторяет процедуру заполнения информационными зарядами вертикальных ПЗС-регистров секции 2-1, но в течение оставшегося интервала кадрового гашения эти заряды хранят-
б)
І
0'
І
д)
е)
I
Рис. 4. Временная диаграмма, поясняющая работу устройства (окончание)
ся там под вторыми фазовыми электродами (рис. 4б).
В течение последующей активной части кадра выполняется параллельное считывание зарядовой картины текущего кадра в БПЗН 2-3 и зарядовой картины задерживаемого кадра в БПЗН 2-7.
В случае когда произошло движение объекта контроля, на выходе блока вычитания сигнального процессора 7 в интервале сравнения информации первого и второго кадров, третьего и четвертого кадров, пятого и шестого кадров и так далее появится сигнал, отличный от нулевого значения. Если этот сигнал по абсолютной величине превышает пороговый сигнал (ип), то компаратор скачкообразно изменяет напряжение на выходе.
Далее после опрокидывания компаратора формирователь 8 сигнала тревоги обеспечивает звуковую и (или) световую сигнализацию по факту регистрации подвижного объекта в поле зрения телевизионного устройства.
Для надежного обнаружения медленно движущихся объектов период меж-
кадрового сравнения целесообразно увеличить с 2Тк до (2Тк • л), где л — целое число. При этом в целое число раз, кратное Тк, увеличивается длительность хранения задерживаемого кадра. Это легко выполняется во временном контроллере 3 при помощи таймера. Следует отметить, что максимальное время хранения зарядов задерживаемого кадра ограничивается величиной плотности темнового тока в ПЗС и для современных приборов без принудительного охлаждения составляет порядка одной секунды (50Тк), что вполне достаточно для регистрации малоподвижных целей при помощи детектора движения.
Кроме автоматического обнаружения подвижных объектов, телевизионное устройство выполняет функцию телекамеры и предоставляет оператору возможность постоянного визуального контроля ситуации на охраняемом пространстве с экрана видеоконтроль-ного блока 9.
Композитный видеосигнал на информационном входе видеоконтрольного
блока 9 не имеет пропусков информативного сигнала изображения. «Ложные» видеокадры, имеющие место в композитном видеосигнале на выходе сигнального процессора 7, далее принудительно заменяются на полезные видеокадры, которые задержаны на длительность одного кадра. Алгоритм такой работы обеспечивается в предлагаемом устройстве благодаря использованию в его составе блока 13 задержки на кадр и коммутатора-смесителя 14.
Для детектора движения важно отметить и другую, не менее важную особенность: собственный шум в сигнал межкадровой разности вносится лишь один раз в процессе съема электрического видеосигнала фотоприемника, следовательно, чувствительность детектора будет высокой.
В качестве заключения
Выбор в качестве фотоприемника специализированной матрицы ПЗС с организацией «СКП» оказывается полезным не только при разработке телекамеры с расширенным динамическим диапазоном, но и при выполнении на ее основе простого детектора движения высокой чувствительности. Поэтому совместное проектирование этих устройств в одном приборе с использованием средств программирования следует считать целесообразным. На момент публикации статьи техническое решение «совмещенного» прибора признано изобретением, и ФИПС принято решение о выдаче на него патента Российской Федерации [3]
Литература
1. Смелков В.М. Устройство ПЗС-теле-камеры с новшеством, по расширению динамического диапазона./ Спецтех-ника и связь, 2011. - № 1. - С. 11 - 17.
2. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы, с зарядовой связью. - М.: Радио и связь», 1991.
3. Решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2010120340/09(02896) от. 6.04.2011. МПК H04N 5/30.Телевизионное устройство для обнаружения подвижных объектов./ Заявитель — В.М. Смелков.
|
