СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ
VIDEO SURVEILLANCE METHOD AND APPARATUS

Предлагаемые изобретения относятся к видеотехнике, приборостроению, измерительной и информационной технике, точнее к оптико-электронным приборам обнаружения движущихся объектов.
Известны устройство и способ оптико-электронного кругового обзора [см. патент РФ №2321016, кл. G01S 3/78, БИ №9, Ч.4, 2008 г.], организующие прием ИК-излучения, прием лазерного излучения и формирование информационного сигнала. Прием ИК-излучения выполнен с возможностью вращения в азимутальной плоскости приводом с датчиком угла. Приемник излучения состоит из трех идентичных измерительных ИК-каналов, каждый из которых имеет объектив, плоское зеркало, фотоприемное устройство и блок обработки сигнала. Оси указанных объективов равномерно развернуты в азимутальной плоскости и наклонены к ней по вертикали под различными углами. Прием лазерного излучения выполнен панорамным, фотоприем организован в виде секторно-кольцевой многоплощадочной структуры и формирования сигнала наличия лазерного излучения и его направления в азимутальной плоскости.
Недостатками данного устройства и способа являются сложность и недостаточная точность видеонаблюдения.
За прототип приняты способ и устройство видеонаблюдения с использованием домашнего видеомагнитофона [см. заявку РФ №2006114896, кл. H04N 5/765, БИ №32, 2007 г.], включающие видеокамеру наблюдения (видеоглазок), устройство, определяющее период записи сигнала на магнитофон (детектор движения) и устройство сопряжения видеомагнитофона и детектора движения, вместо контроллера механического нажатия кнопок «Start» или «Stop» пульта дистанционного управления предлагается использовать триггерное устройство сопряжения видеомагнитофона и детектора движения, замыкающее на время около 1 с клеммы записи или отмены записи видеомагнитофона «Rec» или «Stop» соответственно и тем самым включающее запись на период записи или отключающее ее.
Недостатками прототипов являются ограниченные функциональные возможности и низкая метрологическая эффективность кругового панорамного видеонаблюдения из-за фиксированного угла видеосъемки, регламентированного неподвижным детектором движения.
Технической задачей способа и устройства является повышение метрологической эффективности за счет автоматизации кругового панорамного видеонаблюдения с регламентированной точностью нормируемой меры фазы угла поворота в азимутальной плоскости.
Поставленная техническая задача достигается тем, что:
1. В способе видеонаблюдения, включающем видеокамеру с видеомагнитофоном, ИК-детектор движения объекта видеонаблюдения и устройство сопряжения ИК-детектора движения и видеокамеры с видеомагнитофоном, в отличие от прототипа, видеонаблюдение организуют с возможностью вращения видеокамеры в азимутальной плоскости по многофазному углу поворота видеоизображения синхронно с приемом ИК-излучения ИК-детектором движения от ИК-генератора излучения, размещаемого на объекте видеонаблюдения, за счет сканирования приводом с устройством сопряжения в азимутальной плоскости соответствующего угла поворота фазы тактовыми импульсами фиксированной частоты выше 10 Гц.
2. В способе по п.1, в отличие от прототипа, сканирование в азимутальной плоскости угла поворота фазы тактовыми импульсами фиксированной частоты организуют в коде последовательным приближением нормированного значения к измеряемому значению за счет алгебраического суммирования реверсивных приращений фазы, регистрируемых в виде разницы между измеренным и нормированным значениями.
3. В устройстве видеонаблюдения, включающем видеокамеру с видеомагнитофоном, ИК-детектор движения объекта и устройство сопряжения, в отличие от прототипа, видеокамера водружена на сканер ИК-детектора движения, организующего вращение в азимутальной плоскости от ИК-генератора излучения приводом с устройством сопряжения угла поворота фазы, который расположен соосно с ИК-детектором движения между подвижной и неподвижной секторно-кольцевыми структурами сканера.
4. В устройстве по п.3, в отличие от прототипа, привод с ИК-детектором движения многофазного угла поворота и устройством сопряжения организован по следящей структуре из последовательного соединения ИК-детектора движения многофазного угла поворота, устройства сопряжения, включающего цифроаналоговый преобразователь и усилитель мощности, и исполнительного механизма вращения в азимутальной плоскости.
5. В устройстве по п.3, в отличие от прототипа, ИК-генератор излучения в азимутальной плоскости выполнен на ИК-светодиоде с автономным источником питания в декоративном исполнении, например в форме значка, размещаемого на объекте съемки.
6. В устройстве по п.3, в отличие от прототипа, ИК- детектором движения многофазного угла поворота служит ИК-фотодиодная матрица из 2m+1 фотодиодов, подключенных входами к источнику питания, а выходами - к управляющим входам реверсивного счетчика, причем центральный фотодиод матрицы соединен со входом его обнуления, первые m-фотодиоды объединены с суммирующим, а вторые m-фотодиоды - с вычитающим входами реверса счетчика, счетный вход которого является синхронизирующим входом тактовой частоты более 10 Гц, а его выходы организуют разряды кода ИК-детектора движения многофазного угла поворота, соответственно разрядности 2m+1 фотодиодам матрицы.
Сущность способа и устройства поясняется фиг.1-3 на уровне временной диаграммы фиг.1, а и алгоритма фиг.1, b, структурных схем фиг.1, с и фиг.2 и кинематики фиг.1, d.
0
0
0
0
0
0
0
Сущность предлагаемого способа (фиг.1) видеонаблюдения видеокамерой с ИК-детектором движения и устройством сопряжения заключается в том, что видеонаблюдение организуют с возможностью вращения видеокамеры в азимутальной плоскости по многофазному углу φ поворота видеоизображения. Вращение на угол φ осуществляется синхронно с приемом ИК-излучения ИК-детектором движения на i сегментов, , нормированных по фазе φ=π/m угла поворота, т.е. φ=iφ (см. фиг.1, d). ИК-детектор движения регистрирует излучение от ИК-генератора, размещаемого на объекте видеосъемки. Вращение организуют приводом с ИК-детектором движения в азимутальной плоскости пропорционально углу поворота фазы φ тактовыми импульсами частоты F выше 10 Гц. Это обусловлено реакцией объекта за время Т, которое для нормального человека составляет больше 0,1 с. Частота F определяется минимальным кодом N=1 за период Т:
0
0
0
F≥N/T=1/0,1=10 Гц.
j
-j
Предлагаемый способ реализует устройство видеонаблюдения (см. фиг.2) с использованием видеокамеры (1.1), включающей видеомагнитофон (1.2), ИК-детектор движения (2) объекта и устройства сопряжения (3). Видеокамера 1.1 водружена на сканер 2.1 (см. фиг.1, d) ИК-детектора движения 2, организующего вращение в азимутальной плоскости от ИК-генератора 4.1 излучения и его направления. ИК-генератор 4.1 излучения выполнен на ИК-светодиоде D с автономным источником питания в декоративном исполнении, например в форме значка (пуговицы, брелка и т.д.), размещаемого па объекте 4 видеосъемки. Вращение сканера 2.1 ИК-детектора движения 2 осуществляют приводом 5 угла поворота фазы φ, который расположен соосно со сканером 2.1 ИК-детектора движения 2 и видеокамерой 1. Привод 5 с ИК-детектором движения 2 размещены между подвижной и неподвижной секторно-кольцевыми структурами сканера 2.1. При этом исполнительный механизм 5.1 привода 5 закреплен на неподвижном кольце сканера 2.1 в центре секторно-кольцевой структуры для организации вращения в азимутальной плоскости подвижной секторно-кольцевой структуры, по периметру кольца которой в секторах расположены приемники ИК-излучения D, D ИК-детектора движения 2 (см. фиг.1, d).
Структурная схема привода 5 с ИК-детектором движения 2 и устройством сопряжения 3 приведена на фиг.2. Схема включает последовательное соединение ИК-детектора движения 2, устройства 3 сопряжения из цифро-аналогового преобразователя 3.1 и усилителя мощности 3.2, и исполнительного механизма 5.1 вращения сканера 2.1 с ИК-детектором движения 2 в азимутальной плоскости. Структурная схема привода 5 с ИК-детектором движения 2 функционирует по следящей обратной связи отслеживая перемещение объекта 4 видеосъемки в азимутальной плоскости по многофазному углу поворота за счет излучения светодиода D ИК-генератора 4.1 излучения.
0
В исходном состоянии (см. фиг.1) объектив камеры 1.1 расположен по оси, перпендикулярной объекту 4 за счет приема ИК-излучения ИК-детектором движения 2 от ИК-генератора 4.1 излучения, закрепленного на объекте 4 видеонаблюдения. При перемещении объекта 4 вправо (или влево) на угол φ=iφ в ИК-детекторе движения 2 формируется код N, пропорциональный i-му сектору многофазного угла φ сканера с секторно-кольцевой структурой. Код N формирует на выходе ЦАП 3.1 ток I по линейному закону, который прямопропорционально преобразуется в мощность Р усилителя мощности 3.2 для включения исполнительного механизма 5.1 привода 5. Исполнительный механизм привода 5.1 поворачивает на угол φ сканер 2.1 за счет последовательного включения i сегментов методом последовательного приближения. В результате сканирования на угол φ объектив камеры 1 вновь расположен на оси, перпендикулярной объекту 4 видеосъемки. При дальнейшем перемещении объекта 4 структурная схема привода 5 с ИК-детектором движения 2 функционирует аналогично, фиксируя в коде N многофазный угол поворота φ.
i
0
0j
j
j
j
0j
j
j
j
0j
Сканирование в азимутальной плоскости угла поворота фазы φ тактовыми импульсами фиксированной частоты F организуют (см. фиг.1) в коде N последовательным приближением нормированного значения N к измеряемому значению N за счет алгебраического суммирования реверсивных приращений ΔN=N-N фазы Δφ, регистрируемых в виде разницы ΔN между измеряемым N и нормированным N значениями. Сумма реверсных значений N в соответствии с алгоритмом 1, b может быть представлена как
0
0
0
j
0
Учитывая, что код N=Ft, т.е. произведение тактовой частоты F на время t, связанное с фиксированными интервалами Т числом j импульсов, находим для последовательного приближения (фиг.1) ΔN=N. Это следует из условий приближения, т.к.
j
0
j
0
0
0
N=Ft=FTj=Nj,
0j
0
j+1
0
0
0
N=Ft=FT(j-1)=N(j-1),
j
поэтому разница ΔN равна
j
j
0j
0
0
ΔN=N-N=N(j-j+1)=N.
Соответственно, сумма приращений равна
j
т.е. пропорциональна числу i импульсов. График на фиг.1, а иллюстрирует изменение кода на интервалах t приращения
т.к. 5-0=5;
и реверса с 5 до -5, для :
,
-5
причем итоговая сумма N равна их разнице
-5
5
10
0
0
0
N=N+N=5N-10N=-5N.
m
2π
Максимальный код N определяется суммой -m i-х сегментов  кольцевого сканера 2.1 с круговым углом φ=2π=360° обзора
0
2π
π
из m многофазных углов поворота с нормированной фазой φ=φ/2m=φ/m.
+
-
0
m
Кольцо кругового сканера 2.1 (см. фиг.1, d) разделено пополам на фазы сегментов φ правого φ и левого φ поворота с возможностью вращения видеокамеры 1 в азимутальной плоскости по i-фазному углу поворота φ=iφ видеоизображения, поэтому коды N и N пропорциональны числу сегментов фаз, соответственно i и m:
Из этих соотношений следуют зависимости N(φ) и N(i):
показывающие прямую зависимость кода N от угла поворота (фазы) φ и числа i сегментов.
j
-j
j
-j
0
0
0
0
0
0
j
-j
Структурная схема ИК-детектора движения (ДД) 2 (фиг.1, с) поясняет способ видеонаблюдения. ДД 2 многофазного угла φ поворота служит ИК-фотодиодная матрица из 2m+1 фотодиодов D и D, . Диоды D организуют правый поворот, D - левый, a D фиксирует установившееся значение, принимаемое за нулевое. При этом в азимутальной плоскости угол поворота фазы равен нулю φ=iφ=φ, а ось вращения через фотодиод D соосна с окуляром видеокамеры 1. Соответственно, ось перпендикулярна ИК-светодиоду ИК-генератора 4.1 излучения, закрепленному на объекте 4, а также наблюдаемому объекту 4 видеосъемки. Поэтому выход ИК-фотодиода D связан с нулевым входом R (reset) счетчика 2.2. Его реверсивные входы суммы «+» и вычитания «-» тактовых импульсов частоты F объединены каждый с m фотодиодами D и D ИК-матрицы сканера 2.1 для регистрации многофазных углов φ правого или левого поворота объекта 4 видеосъемки.
0
0
0
0j
0
5
0
0j
j
В исходном состоянии (см. фиг.1, а) объект 4 находится перпендикулярно оси видеосъемки видеокамеры 1, при этом счетчик 2.2 обнулен, т.к. от ИК-светодиода D ИК-генератора 4.1 излучения, расположенного на объекте 4 видеонаблюдения, лучи воздействуют на нулевой D фотодиод. В исходном состоянии код N счетчика 2.2 равен нулю. При повороте объекта 4 вправо, например на 5 сегментов угла поворота φ=5φ, код N=5N, а нормированный код N=0N. Лучи от ИК-светодиода D ИК-генератора 4.1 излучения объекта 4 регистрируются D фотодиодом, что увеличивает суммарный код счетчика 2.2 в течении j тактов импульсами F. За счет последовательного приближения нормируемого кода N к текущему N сканер (см. фиг.1, d) вращается вправо от j=5-го сегмента к нулевому, а код в счетчике 2.2 увеличивается
.
0
-j
0
j
0
Когда нулевой сегмент с фотодиодом D окажется в азимутальной плоскости на оси, перпендикулярной ИК-светодиоду D ИК-генератора 4.1 излучения, счетчик 2.2 останавливается, а объект 4 видеосъемки вновь оказывается перед объективом видеокамеры 1 на оси, перпендикулярной видеосъемке. Аналогично ИК-детектор движения 2 отслеживает левый поворот за счет включения D фотодиодов и вычитания j-х импульсов F из счетчика 2.2. На выходе счетчика 2.2 ДД 2 регистрируется код N, пропорциональный интегралу (1) приращений ΔN кода, соответствующих линейному преобразованию фазы φ=iφ (или числу i сегментов) в код по характеристикам (5).
Оценим метрологическую эффективность предлагаемого решения относительно прототипа, обусловленную автоматизацией кругового панорамного обзора с регламентированной точностью (четкостью) нормируемой меры фазы угла поворота. Четкость видеоизображения определяется погрешностью 6 фокусного расстояния, зависящей от фазы угла поворота. Фокусное расстояние (см. фиг.3) от центра О объектива до объекта F равно кратчайшему расстоянию OF окружности радиусом r для объекта, находящегося в фокусе видеосъемки. При перемещении объекта по окружности радиусом r вправо (или влево) на угол α, равный половине фазы угла поворота φ/2, его эффективное фокусное расстояние уменьшается с радиуса r до проекции OS на ось OF. Погрешность ε изменения фокусного расстояния определяется относительным изменением Δ радиуса r до проекции OS к нормированному фокусу r окружности
ε=Δ/r=1-OS/r.
Отношение OS/r несложно найти из треугольника SOR
OS/r=cosα,
где α=φ/2 - угол половины фазы угла φ поворота в азимутальной плоскости перемещения объекта видеонаблюдения.
0
0
0
ü
За нормированную фазу φ целесообразно принять угловую меру, регламентированную погрешностью ε фокусного расстояния, например 1%, т.е. ε=0,01 или φ=φ(ε=0,01). Нормированную фазу φ также можно определить из половины окружности с углом φ=π=180°, разделенным на максимальное число m сегментов
0
m
φ=φ/2=π/2m.
0
Для многофазного угла поворота φ=iφ из i сегментов, где , погрешность фокусного расстояния оценивается зависимостью
ε=1-cos(iπ/2m).
Оценка погрешности ε(φ) с нормированной мерой фазы φ/2=8° для  сегментов при m=11 сведена в таблицу.
i
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
φ<sub>0</sub>/2, °
8
16
24
32
40
48
56
64
72
80
88
cosφ
0,99
0,96
0,91
0,85
0,77
0,67
0,56
0,44
0,31
0,17
0,035
ε, %
1,0
4,0
8,7
15
23,4
33
44
56
69
83
96,5
φ<sub>0</sub>, °
16
32
48
64
80
96
112
128
144
160
176
0
0
0
Анализ характеристики ε(φ) показывает увеличение погрешности от числа i сегментов многофазного φ=iφ угла поворота с одного процента для длиннофокусного объектива видеокамеры с нормированной фазой φ=16° до 4,0-8,7% для стандартных объективов с углом 32-48°, а для широкофокусных объективов с углом 64-80° до погрешности 15-23,4%. Начиная с i=8 сегментов для φ=128° погрешность расфокусировки превышает 50% и стремится к 100% (неопределенности четкости объекта видеонаблюдения) при увеличении угла до 180%, т.е. половины угла φ/2=90°. Для прототипа даже с ультраширокоугольным глазком обзор ограничен φ=128-144°, точность снижается на два порядка при увеличении обзора до половины круга, при большем угле видеокамера не регистрирует объект из-за его отсутствия перед глазком детектора движения.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство видеонаблюдения, в отличие от известных решений, за счет автоматизации вращения угла поворота позволяют расширить видеонаблюдение до кругового панорамного обзора с регламентируемой точностью нормируемой меры, например с погрешностью 1% для видеообъектива с углом 16°, что на два порядка повышает точность видеонаблюдения или метрологическую эффективность видеосъемки. Предлагаемые способ и устройство расширяют возможности бытовой видеотехники до профессионального уровня за счет внедрения измерительной и информационной техники в оптико-электронное приборостроение.