устройство оцифровывания изображения кадра

Формула изобретения

Устройство оцифровывания изображения кадра, содержащее объектив и приемник изображения, содержащий матрицу элементов по числу разрешения кадра, первый-третий блоки ключей, первый-третий блоки регистров и генератор управляющих сигналов, выдающий со второго выхода импульсы дискретизации кодов, с третьего выхода - импульсы длительностью периода кадра, каждый элемент матрицы включает преобразователь "яркость излучения - код", содержащий непрозрачный корпус формой прямоугольного параллелипипеда из изоляционного материала, в непрозрачной перегородке которого закреплен микрообъектив, по оптической оси которого и под углом 45° к ней последовательно друг за другом на соответствующем расстоянии расположены и жестко закреплены по числу разрядов в коде полупрозрачные микрозеркала, каждое впереди расположенное полупрозрачное микрозеркало пропускает на следующее за ним поток света, ослабленный в два раза, в полупрозрачных микрозеркалах имеются светоделительные покрытия, выполняющие отношение отраженного излучения к пропущенному как 1:0,5, на стороне корпуса, к которой повернуты полупрозрачные микрозеркала, расположены по числу полупрозрачных микрозеркал соответствующие фотоприемники, принимающие отраженное микрозеркалами излучения, выходы фотоприемников являются информационными выходами каждого преобразователя "яркость излучения - код", первые управляющие входы трех блоков регистров объединены и подключены к третьему выходу генератора управляющих сигналов, второй выход которого подключен к объединенным вторым управляющим входам блоков регистров, выходы которых являются первым, вторым и третьим выходами устройства оцифровывания изображения кадра, блоки регистров выполнены идентично, каждый включает регистры по числу разрешения матрицы 10⁶ и последовательно соединенные ключ и распределитель импульсов, выходы которого с первого по 10⁶ последовательно подключены к управляющим входам U_выд каждого регистра, информационными входами каждого блока регистров являются входы всех регистров, подключенные к соответствующим выходам своего блока ключей, управляющими входами являются: первым - первый управляющий вход U_от ключа, подключенный к третьему управляющему выходу генератора управляющих сигналов, вторым - сигнальный вход ключа, подключенный к второму выходу генератора управляющих сигналов, выходы всех регистров в каждом блоке регистров поразрядно объединены и являются выходами блока регистров, выходы первого-третьего блоков регистров являются первым-третьим выходами устройства оцифровывания изображения кадра, отличающееся тем, что в него введены первый и второй распределители импульсов, входы которых объединены и подключены к первому выходу /75 Гц/ генератора управляющих сигналов, первый-третий выходы первого распределителя импульсов подключены: первый подключен параллельно к входам всех первых диодов Д1 и к управляющим входам всех микропьезоэлементов красных микросветофильтров во всех преобразователях "яркость излучения - код", второй выход подключен параллельно к входам всех вторых диодов Д2 и к управляющим входам всех микропьезоэлементов зеленых микросветофильтров во всех преобразователях "яркость излучения - код", третий выход подключен к входам всех третьих диодов Д3 и к управляющим входам микропьезоэлементов синих микросветофильтров во всех преобразователей "яркость излучения - код", первый - третий выходы второго распределителя импульсов подключены: первый подключен к управляющему входу U_выд третьего блока ключей, второй подключен к управляющему входу U_выд первого блока ключей, третий выход подключен куправляющему входу U_выдвторого блока ключей, в каждый преобразователь "яркость излучения - код" во входном торце корпуса введен перед микролинзой непрозрачный микросветофильтр, прикрепленный соответствующим образом к свободному концу своего микропьезоэлемента, второй конец которого жестко закреплен в корпусе преобразователя "яркость излучения - код", и управляющий вход микропьезоэлемента подключен к объединенным выходам первого - третьего диодов, за микрообъективом последовательно друг за другом расположены три цветных микросветофильтра основных цветов R, G, В в последовательности красного, зеленого и синего, каждый из них прикреплен к свободному концу своего микропьезоэлемента, вторые концы которых закреплены в корпусе преобразователя "яркость излучения - код", а управляющие входы микропьезоэлементов подключены: красного микросветофильтра к входу первого диода Д1, зеленого микро-светофильтра к входу второго диода Д2, синего микросветофильтра к входу третьего диода Д3, блоки ключей выполнены идентично, каждый содержит соответствующие функциональные части по числу элементов в матрице /по числу преобразователей "яркость излучения - код"/, каждая функциональная часть обслуживает свой преобразователь "яркость излучения - код", функциональные части идентичны, каждая включает число импульсных усилителей по числу разрядов в коде, шестнадцать ключей и шифратор, входы импульсных усилителей являются первым-пятнадцатым информационными входами и подключены к соответствующим по номерам фотоприемникам в преобразователе "яркость излучения - код", выходы импульсных усилителей с первого по четырнадцатый подключены идентично, каждый подключен параллельно к первому управляющему входу U _отключа своего номера и к второму U_з входу ключа следующего номера, выход пятнадцатого импульсного усилителя подключен параллельно к первым управляющим U_от входам пятнадцатого и шестнадцатого ключей, сигнальный вход шестнадцатого ключа является управляющим входом U_выд своей функциональной части и подключен к соответствующему выходу второго распределителя импульсов, выход шестнадцатого ключа подключен параллельно к сигнальным входам первого-пятнадцатого ключей и к своему второму управляющему U_з входу, выходы первого-пятнадцатого ключей подключены к первому-пятнадцатому входам шифратора, первый-четвертый выходы которого являются выходами каждой функциональной части в блок регистров, выходов с каждого блока ключей 4×10 ⁶, которые подключены к стольким же входам своего блока регистров, каждый из которых включает с первого по 10⁶ четырехразрядные регистры, первый-четвертый выходы которых поразрядно объединены и являются первым-четвертым выходами устройства оцифровывания изображения кадра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам оцифровки кадра изображения, может быть использовано для получения цифровых изображений кадров. Прототипом является устройство оцифровывания кадра, содержащее объектив и приемник изображения, включающий матрицу элементов, каждый из трех преобразователей "яркость излучения - код", содержащее и первый - третий блоки ключей, в каждом ключей - по числу разрешения кадра, и первый - третий блоки регистров, в которых регистров - по числу разрешения кадра. Матрица элементов числом 10⁶ соответственно разрешения кадра/в строке 1000 отсчетов × 1000 строк/ включает три группы выходов по числу цветов с первого по 10 × 10⁶, которые подключены к входам 10⁷ соответственно блоков ключей, выходы которых 1-10⁷ подключены к стольким же входам трех блоков регистров, и генератор управляющих сигналов. Выходы блоков регистров являются выходами устройства оцифровывания кадра. Каждый элемент матрицы представлен триадой из трех преобразователей "яркость излучения - код", каждый из которых включает непрозрачный корпус, во входном торце которого цветной светофильтр одного из цветов К. G. В., за ним микрообъектив, по оптической оси которого под углом 45° к ней последовательно размещены и жестко закреплены по числу разрядов в коде десять полупрозрачных микрозеркал, на соответствующей стороне корпуса расположены десять соответствующих фотоприемников, выдающие электрические импульсы на управляющие U_от входы ключей в блоках ключей. Двоичные коды с преобразователей представляют последовательность сигналов единиц в разрядах кодов, соответствующих микрозеркалам, через которые прошло излучение, а в разрядах, через микрозеркала которых свет не прошел, будут нули. Недостатками прототипа являются: в составе каждого элемента матрицы по три преобразователя "яркость излучения - код", что снижает» разрешение кадра не менее чем в два раза, и недостаточная глубина цвета, передаваемая кодами по десять бит.

Цель изобретения: повышение разрешающей способности приемника изображения и увеличение глубины цвета до 45 бит: по 15 бит в коде каждого цвета R, G, В.

Техническими результатами являются: выполнение оцифровывания кадра не тремя преобразователями в каждом элементе матрицы, а одним преобразователем "яркость излучения - код", выполняющим за период кадра три последовательных преобразования цветов R, G, В по 15 бит каждое, глубина цвета 45 бит.

Сущность заявляемого устройства оцифровывания кадра, содержащего объектив и матрицу элементов в приемнике изображения, в исполнении каждого элемента матрицы одним преобразователем "яркость излучения -код", выполняющим за период кадра последовательно три преобразования "яркость излучения - код" цветов R, G, В по 15 бит в каждом коде, и введение в каждый блок ключей шифраторов по числу элементов в матрице приемника изображения.

Устройство 1 оцифровывания кадра представлен на фиг.1, преобразователь "яркость излучения - код" - на фиг.2, 3, функциональная часть блока ключей - на фиг.3, блок регистров - на фиг,4.

Устройство 1 оцифровывания кадра содержит объектив 2, в фокальной плоскости которого расположена приемная сторона приемника 3 изображения, который содержит матрицу из 10⁶ элементов соответственно разрешения кадра: 1000 строк по 1000 отсчетов в строке. Три группы выходов /по числу цветов/ с элементов матрицы каждая числом с первого по 4 × 10⁶ подключены к входам соответственно с первого по 4-10⁶ блоков 4, 5, 6 ключей, выходы которых с первого по 4×10⁶ подключены к входам блоков 7, 8, 9 регистров. Устройство 1 содержит генератор 10 управляющих сигналов, выдающий с первого выхода импульсы частотой 75 Гц, подключенный параллельно к входам первого 11 и второго 11₂ распределителей импульсов, со второго выхода выдающий импульсы дискретизации кодов f_д 25 МГц, подключенный к вторым управляющим входам блоков 7, 8, 9 регистров, с третьего выхода выдающий импульсы частоты кадров f_к 25 Гц с периодом длительности кадра 40 мc подключенный параллельно к первым управляющим входам U _от ключей 28 /фиг.4/ в блоках 7, 8, 9 регистров, первый - четвертый выходы которых являются выходами устройства 1 оцифровывания. Каждый элемент матрицы является преобразователем яркость излучения - код" и включает /фиг.3/ непрозрачный корпус 12 формой прямоугольного параллелипипеда из изоляционного материала, во входном окне которого размещен непрозрачный микросветофильтр 13, прикрепленный к свободному концу своего микропьезоэлемента 14, в отсутствие управляющего сигнала входное окно закрыто непрозрачным микросветофильтром 13. Второй конец микропьезоэлемента 14 жестко закреплен в корпусе 12 и подключен через диоды Д1, Д2, Д3 к первому - третьему выходам распределителя 11₁ импульсов. Непрозрачный микросветофильтр 13 выполняет функцию входной двери, открывая вход для прохода облучения на микролинзу 15, закрепленную в непрозрачной перегородке корпуса 12. За микролинзой, выполняющей роль микрообъектива, последовательно друг за другом расположены три цветных микросветофильтра 16, 17, 18 базовых цветов R, G, В, каждый из них прикреплен соответствующим образом к свободному концу своего микропьезоэлемента 19, 20, 21, вторые концы которых закреплены в корпусе 12, а управляющие входы микропьезоэлементов подключены: микропьезоэлемента 19 - к выходу 1 распределителя 11₁ импульсов, микропьезоэлемента 20 - к выходу 2 распределителя 11₁ импульсов, микропьезоэлемента 21 - к выходу 3 блока 11₁. Управлявшие импульсы с выходов распределителя 11₁ импульсов имеют частоту 75 Гц /25 Гц×3/, каждый длительностью 1 мс с амплитудой достаточной для срабатывания микропьезоэлементов 19, 20, 21, работающие на деформации изгиба [5 c. 26]. За тремя цветными микросветофильтрами по оптической оси микрообъектива 15 и под углом 45° к ней последовательно на соответствующем расстоянии друг за другом расположены и жестко закреплены по числу разрядов в коде с первого по пятнадцатый полупрозрачные микрозеркала 22 _1-15. На стороне корпуса, к которой повернуты микрозеркала, расположены пятнадцать соответствующих фотоприемников 23 _1-15, принимающие отраженное от микрозеркал 22 излучения и выдающие электрические импульсы на входы своих импульсных усилителей 24_1-15 в функциональных частях блоков 4; 5, 6[6. с. 5] Световой поток после цветного микросветофильтра поступает на центры полупрозрачных микрозеркал 22, каждое из которых пропускает на следующее за ним микрозеркало поток света, ослабленный в два раза, соответственно принципа двоичного кода, полупрозрачные микрозеркала имеют светоделительное покрытие, выполняющее отношение отраженного излучения к пропущенному как 1:0,5 [2 с.223]. Каждый преобразователь "яркость излучения - код" обслуживается своей функциональной частью в блоке 4. 5, 6, которая включает /фиг.3/ пятнадцать импульсных усилителей 24_1-15, шестнадцать ключей 25_1-16 и один шифратор 26, первый - четвертый выходы которого являются и выходами блока ключей 4, 5, 6. Функциональные части преобразуют 15-разрядные коды, поступающие в нее, в четырех разрядные коды, выдаваемые с шифратора 26. Функциональных частей в блоке 4, 5, 6 ключей по числу элементов в матрице 10⁶ . Функциональные части выполнены идентично, подключение преобразователя "яркость излучения - код" и обслуживающей его функциональной части приведено на фиг.3.

Преобразование "яркость излучения - код", фиг.3. В отсутствие управляющих импульсов с распределителя 11₁ импульсов микропьезоэлементы 14, 19. 20, 21 находятся в ненапряженном состоянии: непрозрачный микросветофильтр 13 закрывает входное окно корпуса 12, а цветные микросветофильтры 16, 17, 18 вне зоны прохода излучения после микролинзы 15. С приходом управляющего импульса 1 мс с первого выхода распределителя 11₁ микросветофильтр 13 при изгибе микропьезоэоемента 14 открывает на 1 мс входное окно, микропьезоэлемент 19 срабатывает и вводит в поток излучения после микролинзы 15 красный микросветофильтр 16, пропускающий красный цвет излучения на полупрозрачные микрозеркала 22, начиная с микрозеркала 22₁₅, отраженное излучение от которого поступает в усилитель 24₁₅, импульс с которого открывает параллельно ключи 25₁₅ и 25₁₆, красное излучение поступает последовательно на следующие полупрозрачные микрозеркала, пока свет не ослабнет до степени, не вызывающей срабатывание фотоприемника 24. Отраженные от микрозеркал излучения поступают в свои фотоприемники 23, выдающие электрические импульсы в свои импульсные усилители 24 в блоках 4 /5, 6/, с поступлением импульса в усилитель 24 ₁₄ он усиливает импульс, который с его выхода закрывает ключ 25₁₅ и открывает ключ 25₁₄, импульс с усилителя 24₁₃, закрывает ключ 25₁₄ и открывает ключ 25₁₃, далее этот процесс продолжается со скоростью света, проходящего по полупрозрачным микрозеркалам 22. При ослаблении излучения до несрабатывания фотоприемника 23 сигнал с усилителя соответствующего 24 не поступает на открытие следующего ключа 25. Для примера принимаем, что последним сработал фотоприемник 23₈ от микрозеркала 22₈: импульс с усилителя 24₈ открывает ключ 25₈ и закрывает ключ 259. К этому моменту ключи 25_9-15 все закрыты, а ключи 25_1-7 еще не открыты. С приходом импульса U_выд 1 мс /75 Гц/ с распределителя 11₂ импульсов он поступает параллельно на входы трех ключей 25 ₁₆ блоков 4, 5, 6 ключей, в каждом блоке 4, 5,6 с выхода ключа 25₁₆ импульс 1 мс U_выд поступает параллельно на сигнальные входы всех ключей 25_1-15 , но ключи 25_9-15 /фиг.3/ уже закрыты сигналами U ₃ с импульсных усилителей 24_9-14, а ключи 25 _1-17 еще не открыты, в результате открытый только один ключ 25₈, импульс с выхода ключа 25₁₆ проходит через открытый ключ 25₈, и с его выхода импульс поступает на восьмой вход шифратора 26, который повторно кодирует импульс восьмого разряда 15-и разрядного кода в четырехразрядный код: 1000, этот код и поступает в блок 7 регистров. Комбинации [7 с.207] четырехразрядных кодов после повторного кодирования в таблице 1.

Таблица 1
Коды с выходов ключей 251-15	Коды с выходов блоков 4, 5, 6 после повторного кодирования
000000000000001	0001 /1/
000000000000010	0010 /2/
000000000000100	0011 /3/
.	.
.	.
.	.
001000000000000	1101 /13/
010000000000000	1110 /14/
100000000000000	1111 /15/

Четырехразрядные коды с блоков 4, 5, 6 ключей в параллельном виде поступают в блоки 7, 8, 9 регистров, на этом заканчивается первая треть в 13 мс кадра, а преобразователь "яркость излучения - код" приходит в исходное состояние. По окончании первых 13 мс кадра импульс со второго выхода распределителя 11 ₁ поступает на вход опять пьезодефлектора 14 и на вход пьезодефлектора 20 зеленого микросветофильтра 17: пьезодефлектор 14 открывает входное окно и параллельно с этим пьезодефлектор 20 вводит зеленый микросветофильтр 17 в поток света, зеленый свет поступает на полупрозрачное микрозеркала 22_1-15 , идет формирование кодов цвета G в преобразователях "яркость излучения - код" во всех элементах матрицы.

По окончании вторых 13 мс кадра управляющий импульс с третьего выхода распределителя 11₁ импульсов поступает на входы пьезодефлектора 14 и на вход пьезодефлектора 21 синего микросветофильтра 18: опять открывается входное окно, а синий микросветофильтр 18 вводится в поток света, пропускает синее излучение на микрозеркала 22, формируется код цвета В во всех преобразователях элементов матрицы. После первой трети /13 мс/ периода кадра распределитель 11₂ импульсов выдает со второго выхода сигнал выдачи U_выд на сигнальные входы ключей 25₁₆ параллельно во все функциональные части блока 4, и все коды 10⁶ цвета R поступают параллельно на второе кодирование в шифраторы 26, с которых 10⁶ четырехразрядных кодов цвета R поступают параллельно в блок 7 регистров.

После второй трети периода кадра распределитель 11₂ импульсов выдает с третьего выхода сигнал U_выд на сигнальные входы ключей 25₁₆ во все функциональные части блока 5, и все коды цвета G поступают параллельно на второе кодирование в шифраторы 26, с которых коды 10⁶ цвета G поступают параллельно в блок 8 регистров.

После третьей части 13 мс периода кадра распределитель 11₂ импульсов с первого выхода выдает сигнал U_внд на сигнальные входы ключей 25₁₆ во все функциональные части блока 6 ключей, все коды цвета В поступают параллельно на второе кодирование в свои шифраторы, 26, с которых 10⁶ четырехразрядных кодов цвета В параллельно поступают в блок 9 регистров. По окончании периода кадра 40 мс в регистрах 27_1-106 блоков 7, 8, 9 сосредоточены коды соответственно цветов R, G, В. Блоки 7, 8, 9 регистров выполнены идентично /фиг.4/, каждый включает с первого по 10⁶ четырехразрядные регистры 27 и последовательно соединенные ключ 28 и распределитель 29 импульсов. Информационными входами блоков 7-9 являются входы четырех разрядов всех регистров 27_1-106, всего входов 4×10⁶, выходами являются поразрядно объединенные первый-четвертый выходы блока 7-9 регистров. Первым управляющим входом является первый управляющий вход U_от ключа 28, подключенный к третьему выходу генератора 10 импульсов, открывающий передним фронтом ключ 28 на длительность периода кадра 40 мс, вторым управляющим входом является сигнальный вход ключа 28, подключенный к второму выходу 25 МГц генератора 10 импульсов. В открытом состоянии ключ 28 пропускает в распределитель 29 импульсов импульсы 25 МГц, которые являются сигналами выдачи последовательно кодов из регистров 27_1-106 на воспроизведение кадров или на регистрацию кодов кадра в соответствующее устройство регистрации. Частота кадров принята 25 Гц, число строк в кадре 1000, отсчетов в строке 1000, частота дискретизации кодов составляет:

f_д=25 Гц × 1000×1000=25 МГц.

Работа устройства.

Объектив 2 проецирует изображение объекта съемки на входные окна всех элементов матрицы приемника 3 изображения. Преобразователи в элементах матрицы выдают импульсы с фото приемников 23_1-15 в импульсные усилители 24 _1-15 блоков 4-6, В блок 4 поступают 10⁶ коды цвета R, в блок 5 - коды цвета G, в блок 6 - коды цвета В. В блоках 4-6 выполняется первое и повторное кодирование, с выходов блоков 4, 5, 6 ключей четврехразрядные коды поступают в свои регистры 27_1-106. За один период кадра выполняется его оцифровывание. Последовательное получение в элементах матрицы кодов трех цветов позволяет увеличить разрешение приемника 3 изображения, повторное кодирование без информационных потерь позволяет уменьшить соединительных линий от блоков 4-6 к блокам 7-9 в 11, 25 раз , применить в регистрах блоков 7-9 четырехразрядные регистры, а для регистрации оцифрованной видеоинформации потребуется на носителе в 11, 25 раз меньше места.

Использованные источники

1. Патент РФ № 2452026 С1, кл. G06T 9/00, бюл.15 от 27.05.12, прототип.

2. Б.Н. Бегунов, Н.П. Заказнов. Теория оптических систем. М., 1973, с.223.

3. Ашкенази Г.И. Цвет в природе и технике. Изд.4-е. М., 1985, с.79, 15-я строка сверху.

4. В.В. Пясецкий. Цветное телевидение в вопросах и ответах. Минск. 1986, с.130.

5. А.Ф. Плонский, В.И. Теаро. Пьезоэлектроника, "Знание", М., 1979, с.26, 21-я строка сверху,

6. В.В. Фролов. Язык радиосхем. Изд-е 2-е. М., "Радио и связь", 1989, с.5,

7. В.Н. Тутевич. Телемеханика. 2-е изд-е, М., 1985, с.207 рис.8.5.