УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПАНОРАМНОГО СКАНИРОВАНИЯ МОНОХРОМНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
COMPUTER SYSTEM DEVICE FOR PANORAMIC SCANNING OF MONOCHROMATIC IMAGE

Предлагаемое изобретение имеет отношение к панорамному телевизионному сканированию, которое выполняется компьютерной системой при помощи однострочного кольцевого фотоприемника монохромного (черно-белого) изображения, выполненного по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство компьютерной системы [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, при этом телевизионная камера состоит из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и датчика цифрового телевизионного сигнала, который содержит в своем составе двумерный (матричный) ПЗС-фотоприемник и блок фотоприемника, обеспечивающий прогрессивную прямоугольную развертку аналогового видеосигнала фотоприемника и формирование на выходе телевизионной камеры цифрового телевизионного сигнала, а в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управления и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:
г
где γ - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем.
Устройство прототипа методом двумерной электронной развертки: электронного сканирования по двум координатам (горизонтали и вертикали) матрицы ПЗС, - обеспечивает формирование телевизионного монохромного изображения в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места.
Матрица ПЗС прототипа содержит на общем кристалле двумерную фотоприемную область, горизонтальный (выходной) регистр сдвига и преобразователь «заряд - напряжение» (БПЗН).
Блок фотоприемника прототипа содержит блок двумерной развертки видеосигнала, сигнальный процессор, информационный вход которого подключен к выходу БПЗН матрицы ПЗС, и аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Недостаток прототипа компьютерной системы - возникновение потерь кругового наблюдения по параметру угол места при вписывании прямоугольной мишени фотоприемника в кольцевое изображение объектива.
Если же для исключения потерь по углу места это кольцевое изображение вписать в прямоугольник мишени, то потребуется матрица ПЗС с увеличенным числом элементов (пикселов). При этом значительная часть пикселов является пассивной (бесполезной), т.к. не несет информации о наблюдаемом сюжете, но принудительно используется при формировании видеосигнала в телевизионной камере.
Задачей изобретения является поддержание неизменным параметра угол места и исключение пассивных пикселов за счет использования в качестве фотоприемника однострочного кольцевого сенсора путем его механического сканирования в перпендикулярном направлении относительно неподвижной плоскости изображения панорамного объектива.
Поставленная задача в заявляемом устройстве компьютерной системы решается тем, что в устройство прототипа [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, при этом телевизионная камера содержит в своем составе последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив и фотоприемник, выполненный по технологии ПЗС, и состоящий из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, выходного регистра и БПЗН, а также блок развертки видеосигнала и последовательно соединенные между собой сигнальный процессор и АЦП, выход которого является выходом телевизионной камеры, причем первый выход блока развертки подключен соответственно к управляющим входам фотоприемной области сенсора, второй выход блока развертки - к управляющим входам выходного регистра сенсора, третий выход блока развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, четвертый выход блока развертки - к тактовому входу АЦП, выход управления экспозицией сигнального процессора подключен к управляющему входу блока развертки; в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая БПКП, вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), а само это преобразование выполняется программным путем, реализуются следующие изменения, а именно: телевизионная камера формирует «кольцевой» растр черно-белого изображения, при этом фотоприемник телевизионной камеры имеет форму кольца и содержит на его кристалле «кольцевую» однострочную фотоприемную область, «кольцевой» выходной регистр и БПЗН; в состав телевизионной камеры введен блок механического сканирования сенсора, который, будучи кинематически связан с фотоприемником, осуществляет его механическое сканирование в перпендикулярном направлении относительно неподвижной плоскости изображения панорамного объектива; при этом пятый выход блока развертки подключен к входу синхронизации блока механического сканирования фотоприемника.
По отношению к прототипу [1] заявляемое устройство отличается геометрической формой выполнения фотоприемника в виде кольцевого однострочного сенсора, обеспечивающего при сохранении ПЗС-технологии реализацию нового («кольцевого») растра изображения. Важно отметить, что количество элементов в «кольцевом» регистре нового фотоприемника принципиально превосходит горизонтальное число пикселей для матрицы ПЗС, которая по вертикали вписана в диаметр этого сенсора.
В состав телевизионной камеры введен также и новый блок, а именно: блок механического сканирования сенсора.
Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
В заявляемом устройстве путем шагового перемещения нового «кольцевого» фотоприемника на ширину строки в направлении, которое перпендикулярно относительно неподвижной плоскости изображения панорамного объектива, реализуется режим работы оригинального сканера с повышенной разрешающей способностью формируемого изображения.
Поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого изобретения - устройства компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения; на фиг. 2 - схемотехническая организации фотоприемника телевизионной камеры; на фиг. 3, по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 4 - иллюстрация геометрических соотношений для мишени фотоприемника, имеющей «прямоугольную» и «кольцевую» форму; на фиг. 5 - конструкция «кольцевого» регистра фотоприемника, у которого электроды переноса выполнены в виде части кругового кольца; на фиг. 6 - предлагаемое оператору панорамное изображение в виде последовательности из 6-ти «прямоугольных» кадров.
Заявляемое устройство компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения, см. фиг. 1, содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и сервер 2, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров в позиции 3, при этом телевизионная камера 1 содержит последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив 1-1 и твердотельный фотоприемник 1-2, выполненный по технологии ПЗС, а на кристалле которого расположены, см. фиг.2, «кольцевая» однострочная фотоприемная область 1-2-1, фотозатвор 1-2-1, «кольцевой регистр 1-2-3 и БПЗН 1-2-4, а также блок 1-3 механического сканирования сенсора, который, будучи кинематически связан с фотоприемником 1-2, осуществляет его механическое сканирование (с шагом в ширину строки) в перпендикулярном направлении относительно неподвижной плоскости изображения панорамного объектива 1-1, причем управляющие входы фотоприемной области 1-2-1 сенсора подключены к первому выходу блока 1-4 «кольцевой» однострочной развертки видеосигнала, второй выход которого подключен к управляющим входам «кольцевого» регистра 1-2-3 сенсора, третий выход блока 1-4 «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора 1-5, четвертый выход блока 1-4 «кольцевой» развертки - к тактовому входу АЦП 1-6, пятый выход блока 1-4 «кольцевой» развертки - к входу синхронизации блока 1-3 механического сканирования сенсора, а управляющий вход блока 1-4 «кольцевой» развертки - к выходу управления экспозицией сигнального процессора 1-5; выход АЦП 1-6 является выходом телевизионной камеры 1, в разъем расширения на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая БПКП, вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1).
Схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника 1-2, см. фиг. 2, сходна с организацией линейного однострочного ПЗС фотоприемника [3, с. 158-160].
С технологической точки зрения вполне оправдано, что для нового «кольцевого» фотоприемника телевизионной камеры электроды переноса в фотоприемной области 1-2-1 ив «кольцевом» регистре 1-2-3 выполняются с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца.
В качестве примера на фиг.5 показана конструкция «кольцевого» регистра 1-2-3 для фотоприемника с такими электродами переноса.
Важно отметить, что длина внешней окружности нового «кольцевого» фотоприемника с внешним радиусом R (см. фиг. 4), мишень которого вписана в вертикальный размер матрицы ПЗС с форматом: l/h=4/3 превосходит размер по горизонтали для «прямоугольного» сенсора на величину, равную 3/4×π.
Это означает, что при одинаковой величине площади пиксела выигрыш в их количестве составляет показатель, который не менее 2,5 раз.
Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры, как и в прототипе, предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора («кольцевого» изображения).
В качестве близкого примера его технического решения можно считать панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами из Московского государственного университета геодезии и картографии [2].
Фотография кольцевого изображения, формируемого панорамным объективом, представлена на фиг. 3. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75-80) градусов по углу места.
Наличие пассивной (неинформативной) области в центре оптического кадра панорамного объектива подтверждает целесообразность выбора формы фотоприемника в пользу кругового кольца.
Блок 1-4 «кольцевой» однострочной развертки видеосигнала, сигнальный процессор 1-5 и АЦП 1-6 целесообразно выполнить с использованием комплекта специализированных микросхем высокого уровня интеграции.
Блок 1-3 механического сканирования сенсора предназначен для выполнения пошагового перемещения фотоприемника 1-2 с интервалом по расстоянию, равным ширине одной «кольцевой» строки.
Когда фотоприемник 1-2 находится в статичном (неподвижном) состоянии, осуществляется накопление сигнала изображения в светочувствительных пикселах его «кольцевой» однострочной фотоприемной области 1-2-1. При этом фотозатвор 1-2-2 сенсора на время накопления зарядов остается закрытым.
Когда интервал накопления заканчивается, фотозатвор 1-2-2 открывается, осуществляется перенос накопленных зарядов в ячейки «кольцевого» регистра 1-2-3 и перемещение фотоприемника 1-2 на один шаг в радиальном направлении.
Затем фотозатвор 1-2-2 сенсора вновь закрывается. В «кольцевой» фотоприемной области 1-2-1 сенсора начинается цикл накопления новой информационной строки изображения, а в «кольцевом» регистре 1-2-3 сенсора осуществляется поэлементное перемещение зарядовых пакетов предыдущей информационной строки по направлению к БПЗН 1-2-4 и формирование на выходе фотоприемника аналогового видеосигнала. Далее процесс повторяется.
Длительность накопления зарядов информационной строки определяется освещенностью контролируемого объекта и чувствительностью фотоприемника 1-2. Учитывая, что механическое сканирование сенсора осуществляется принципиально медленнее, чем электронное, телевизионная камера 1 может быть справедливо названа камерой малокадрового телевидения, а для ее нормальной работы может потребоваться и организация искусственной внешней подсветки объекта контроля.
Очевидно, что при проектировании телевизионной камеры фотоприемник 1-2 может быть выполнен в составе блока 1-3.
Устройство компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения (см. фиг. 1) работает следующим образом. Телевизионная камера 1 размещается на штативе (на фиг. 1 он не показан).
Панорамный объектив 1-1 формирует «кольцевое» оптическое контролируемой сцены, проецируя его на мишень 1-2-1 фотоприемника телевизионной камеры.
Фотоприемник 1-2 (см. фиг. 2) реализует «кольцевую» однострочную развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-2-1 с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре 1-2-3 и формированием на выходе БПЗН 1-2-4 напряжения видеосигнала в аналоговой форме.
В результате фотоэлектрического и последующего аналого-цифрового преобразования видеосигнала на выходе телевизионной камеры 1 формируется цифровой телевизионный сигнал монохромного изображения.
По интерфейсу (например, USB 2,0) в оперативную память сервера 2 будет транслироваться цифровой видеосигнал «кольцевой» строки фотоприемника 1-2 при пошаговом перемещении самого фотоприемника на ширину пиксела этой строки.
В результате в оперативную память сервера 2 будет занесена видеоинформация о «кольцевом» кадре, полученном при помощи «сканерной» записи составляющих его «кольцевых» строк.
г
Допустим, что, как и в прототипе, горизонтальный угол поля зрения (γ) предъявляемого панорамного изображения составляет 60 градусов.
Тогда должно быть предусмотрено, что одна шестая часть каждой «кольцевой» строки из «кольцевого» кадра записывается в сервере 2 соответственно в один из шести массивов оперативной памяти на кадр.
Предположим, что полное число «кольцевых» строк в «кольцевом» кадре составляет m. Механическое сканирование сенсора определяет режим формирования «кольцевого» кадра как медленный, т.е. малокадровый.
Поэтому необходимое время записи всех m строк в сервере 2 составит несколько секунд, но вполне оправдано достигаемым результатом - поддержанием неизменного показателя угла места кругового обзора и оптимизацией фотоприемника для ведения такого обзора.
Далее, как и в прототипе, в сервере 2 при помощи элемента БПКП, реализующего возложенные на него функции программным путем, осуществляется операция считывания видеосигнала, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры вещательного телевидения и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» сервера 2.
Поэтому цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности (см. фиг. 6) оператором компьютеров 3.
Отметим, что операция считывания «прямоугольных» кадров включает и коррекцию геометрических искажений соответствующего участка панорамного изображения точно так же, как это имеет место в прототипе.
В настоящее время все элементы структурной схемы устройства компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2371880. МПК H04N 7/00. Способ панорамного телевизионного наблюдения и устройство для его осуществления. / В.М. Смелков // Б.И. - 2009. - №30.
2. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002. - №20.
3. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. Перевод с англ. - М.: «Мир», 1985.