К ВОПРОСУ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ПОДТВЕРЖДЕНИЯ ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА ОДНОГО ЧАСТНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ ДВУХМАТРИЧНОЙ ТЕЛЕКАМЕРЫ

Приведена методика проведения испытаний и результаты экспериментальной проверки для предложенного ранее технического решения телекамеры на двух матрицах ПЗС, которые свидетельствуют о достижении прогнозируемого роста динамического диапазона формируемого изображения.

Ключевые слова: телекамера, матрица ПЗС, динамический диапазон.

The tests carrying out technique and results of experimental check for offered before the technical decision of TV-camera on two CCD-matrixes which testify to achievement of formed image dynamic range predicted growth is resulted.

Keywords: TV-camera, CCD-matrix, dynamic range.

Известно, что создатель теории относительности – Альберт Эйнштейн семь лет работал экспертом в бернском Бюро патентов. На фотографии 1904 г. [1, с. 40], где изображен рабочий стол Эйнштейна, технического эксперта III класса, можно увидеть магазин сопротивлений. Казалось бы, зачем нужен был этот нехитрый электрический прибор патентному эксперту? Дело в том, что по швейцарским законам, действовавшим до 1908 г., патенты выдавались только на изобретения, которые «подтверждались» действующей моделью или образцом, т.е. материальным воплощением соответствующей заявки. Поэтому экспертам нужно было уметь проводить испытания предлагавшихся новшеств.

Согласно действующему патентному законодательству России автор изобретательского решения не обязан прилагать к материалам заявки модель или образец, а патентный эксперт Федерального института промышленной собственности не должен проводить их натурные испытания. Это определяется, в первую очередь, разнообразием формы технического решения, признаваемого изобретением, которое может быть материальным объектом или продуктом, а именно: устройством, веществом, штаммом микроорганизма, культурой клеток или способом выполнения действий над этим материальным объектом. В решениях, относимых к «телевизионному» классу «H04N» по МКИ (международной классификации изобретений), для формы могут быть лишь два вида: устройство и способ. При этом количество изобретательских признаков для каждого вида может быть неограниченно много. Но, с другой стороны, изобретатель всегда заинтересован и сам как можно раньше проверить экспериментально свое новшество.

Аналогичная ситуация желательности и даже необходимости подтверждения замысла экспериментом возникает и у автора любого иного технического предложения и публикации...

В статье [2] было предложено частное техническое решение охранной телекамеры для наблюдения в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов. Структурная схема этой телекамеры, изображенная на рис. 1, содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив (1) и светоделитель (2); первый датчик телевизионного сигнала (3), второй датчик телевизионного сигнала (4), селектор синхроимпульсов (5), формирователь сигналов «рамка и окошко» (6) и коммутатор-смеситель (7).

Отличительной особенностью данного решения является нанесение на мишень матрицы ПЗС датчика (4) технологической маски, обеспечивающей «окно» непрозрачности для входного светового потока. Телекамера формирует комбинированное изображение, в котором яркие и светлые детали сцены передаются в пределах «окна» видеосигналом датчика (3), а темные и/или низкоосвещенные детали – видеосигналом датчика (4).

Рис. 1. Структурная схема телекамеры

На основе известных физических представлений о ПЗС в упомянутой работе доказывалось, что отношение сигнал/шум комбинированного изображения для передаваемых вне «окна» деталей сцены увеличивается пропорционально увеличению для них полезной энергии, а одновременно уменьшаются искажения на границах «окна» в результате устранения причины возникновения зарядовой перегрузки на мишени датчика (4).

Несомненно, что это заключение нуждается в метрологической проверке, и оно может быть подтверждено, если экспериментально будет установлено расширение динамического диапазона изображения, формируемого телекамерой с новыми признаками, по сравнению с первоначальным значением динамического диапазона телекамеры, когда эти признаки в ней отсутствовали.

Для выполнения поставленной задачи был изготовлен макет телекамеры, позволяющий путем приемлемых и допустимых упрощений его построения осуществить косвенную проверку искомого положительного эффекта.

Схема организации рабочего места для проведения испытаний макета телекамеры, приведенная на рис. 2, и методика оценивания динамического диапазона аналогичны тем, которые опубликованы в статье [3].

Рис. 2. Схема организации рабочего места
для проведения испытаний макета телекамеры

В макете телекамеры был использован отечественный камерный модуль VSI-746, выполненный на базе единственной матрицы ПЗС с числом элементов 582(V)?752(H) и размером мишени по диагонали 1/2 дюйма [4]. В качестве оптики в макете телекамеры применялся объектив «Yamano» с фокусным расстоянием 16 мм, с установленным на нем светофильтром СЗС23.

Макет телекамеры устанавливался на тубус специально разработанного светового шкафа, с помощью которого наблюдаемая сцена с размерами 300(V)?420(H) мм разделялась по вертикали перегородкой в соотношении 1:1. Взаимное расположение испытательных таблиц в боксе светового шкафа было таким, что в левой части сцены размещалась испытательная таблица «(400…490) ТВЛ», внешний вид которой представлен на фото 1 (вверху), а в правой части – испытательная таблица «(100…190) ТВЛ», показанная на фото 1 (внизу). При помощи двух регуляторов светового потока можно было создать относительно высокую освещенность для левой половины теста наблюдаемой сцены и относительно низкую для правой ее половины.

Фото 1. Внешний вид испытательных таблиц для тестирования

При проведении экспериментальных исследований макета телекамеры сначала выполнялось измерение его исходного показателя динамического диапазона по методике, изложенной в работе [3].

Под динамическим диапазоном (D) понималось численное отношение предельных освещенностей объектов в пределах одной наблюдаемой сцены, выраженное в децибелах:

D = 20lg (E_max / E_min ),

где E_max и E_min – соответственно максимальная и минимальная освещенности объекта по установленным критериям.

В процессе испытаний при помощи светорегулятора последовательно увеличивали освещенность в плоскости таблицы «(400…490)ТВЛ». За максимальную освещенность наблюдаемой сцены слева (E_max) принимали ту, при которой достигается насыщение потенциальных ям мишени матрицы ПЗС, а устройство антиблюмингового стока фотоприемника справляется со своей работой. При этом разрешающая способность изображения, измеренная по таблице «(400…490)ТВЛ», максимальна и составляет 450...480 телевизионных линий. В качестве критерия минимальной освещенности наблюдаемой сцены справа (E_min) учитывались два параметра: пороговое отношение сигнал/шум и пороговая разрешающая способность, измеренные по таблице «(100…190)ТВЛ». Для этой освещенности пороговое отношение сигнал/шум, измеренное осциллографическим методом по черно-белому перепаду на тесте, должно составлять не менее 10 раз, а пороговая разрешающая способность – не менее 150 телевизионных линий.

Для камерного модуля VSI-746 были получены следующие отсчеты:

E_max = 580 лк; E_min = 5 лк. В результате D = 41,3 дБ.

Телевизионное изображение, наблюдаемое во время измерения динамического диапазона, с использованием программного продукта Aver TV в режиме «Снимок» записывалось в компьютер. На фото 2 представлено изображение, наблюдаемое при измерении исходного в эксперименте значения динамического диапазона.

Фото 2. Изображение, наблюдаемое при измерении
исходного показателя динамического диапазона

Затем в макете телекамеры на мишень матрицы ПЗС устанавливалось «окно» непрозрачности, изготовленное из картона черного цвета и закрепленное темной изоляционной лентой. Пространственное положение «окна» непрозрачности на защитном стекле фотоприемника соответствовало (с небольшим запасом по площади) световой изоляции правой половины мишени матрицы. Далее камерный модуль устанавливался на прежнее место в тубус светового шкафа. Левую часть контролируемой сцены – тест «(400…490) ТВЛ» ярко подсвечивали, плавно увеличивая освещенность Emax на таблице от исходного до максимально возможного значения, которое позволял световой шкаф. Для правой части сцены - теста «(100…190) ТВЛ» освещенность Emin таблицы поддерживалась равной 5 лк. При этом на левой половине экрана видеомонитора наблюдалось затемнение (отсутствие телевизионного изображения) и наличие на правой половине экрана телевизионного изображения теста «(100…190) ТВЛ». Для наблюдаемого фрагмента изображения при каждом значении Emax выполнялся контроль разрешающей способности и отношения сигнал/шум.

Телевизионные изображения, наблюдаемые во время измерения, записывались в компьютер с использованием программного продукта Aver TV в режиме «Снимок». На фото 3 приведены распечатки трех записанных изображений, которые наблюдались при значениях Emax соответственно 580 лк (а), 1000 лк (б), 10 500 лк (в).

а)

б)

в)
Фото 3. Изображения, полученные в ходе экспериментальной проверки

Фото 3в свидетельствует о достижении для решения [2] динамического диапазона, равного 66,4 дБ, т.е. его расширения по сравнению с исходным параметром на 25,1 дБ.

В качестве заключения

Полученный в данном эксперименте результат по расширению динамического диапазона телекамеры следует понимать не как абсолютно точный отсчет, а как выбор действия в нужном направлении. Дело в том, что использованный в эксперименте способ выполнения «окна» непрозрачности не является безупречным в части материала световой изоляции и не исключает проникновения света через торцевые края (через толщину) защитного стекла матрицы ПЗС. Поэтому, если необходимая технологическая маска, обеспечивающая ослабление светового потока не менее чем в 106 раз без изменения его спектрального состава, будет нанесена непосредственно на кристалл фотоприемника, то выигрыш в динамическом диапазоне будет заведомо выше.

Следует отметить и другой важный результат, достигнутый благодаря проведенному эксперименту. Основная идея технического решения [2], оформленная автором в виде заявки на предполагаемое изобретение, получила официальное признание [5], что относится к объектам патентных прав и соответствует условиям патентоспособности, предусмотренных Гражданским кодексом Российской Федерации.

Литература

Френкель В.Я., Явелов Б.Е. Эйнштейн: Изобретения и эксперимент. – М.: Наука, 1990.
Смелков В.М. Режим BLC в охранной телекамере: новое решение/ Специальная техника, 2006. - № 5. - С. 15 - 18.
Смелков В.М. Методика оценивания динамического диапазона телевизионной системы/ Специальная техника, 2007. - № 4. – С. 25 - 30.
Телевизионные камеры фирмы «ЭВС». Каталог, 2005 г.
Патент РФ на изобретение №2389151. МПК H04N 5/225. Телевизионная камера для наблюдения в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов. / В.М. Смелков / Б.И. – 2010. – № 13.