УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ
DEVICE OF COMPUTER SYSTEM FOR PANORAMIC TELEVISION SURVEILLANCE

Изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной системой при помощи двух фотоприемников, имеющих форму мишени в виде кругового кольца, в сферической области пространства, занимающей два противоположно расположенных шаровых слоя. При этом для каждого из этих шаровых слоев телевизионный контроль ситуации в реальном времени осуществляется в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения [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 последовательно расположенные и связанные твердотельный фотоприемник и блок фотоприемника, обеспечивающий 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, управлению 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 n «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; фотоприемник телевизионной камеры выполнен в виде кругового кольца по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область и выходной регистр сдвига, заканчивающийся блоком преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), при этом линейки светочувствительных и чередующиеся с ними линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там выходному регистру сдвига, который является «кольцевым», причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области равно числу элементов в его «кольцевом» регистре сдвига, а блок фотоприемника телевизионной камеры, формирующий «кольцевой» растр изображения, является блоком «кольцевой» развертки фотоприемника и формирования цифрового телевизионного сигнала.
Предполагается, что в состав упомянутого последним блока прототипа [1] входит непосредственно сам блок «кольцевой» развертки сенсора, а также последовательно соединенные сигнальный процессор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом информационный вход сигнального процессора подключен к выходу фотоприемника, а выход АЦП является выходом телевизионной камеры. Сигнальный процессор выполняет также в автоматическом режиме оценку изображения в зависимости от освещенности на объекте, формируя по цепи обратной связи с блоком «кольцевой развертки сигнал управления длительностью времени накопления фотоприемника.
Недостаток прототипа - ограниченная область сферического пространства, наблюдаемая телевизионной камерой компьютерной системы.
Задачей изобретения является увеличение площади пространственной сферической области, контролируемой телевизионной камерой, путем дополнительного наблюдения в реальном времени шарового слоя, расположенного в противоположном направлении по отношению к основному (первоначальному) шаровому слою.
Поставленная задача в заявляемом устройстве компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения решается тем, что в устройство компьютерной системы 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 состоит из последовательно расположенных и оптически связанных первого панорамного объектива и первого фотоприемника, управляющие входы которого подключены к соответствующим выходам блока «кольцевой» развертки сенсора, а выход первого фотоприемника подключен к информационному входу первого сигнального процессора, вход служебных импульсов которого подключен к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки сенсора, а выход управляющего сигнала - к первому входу управления блока «кольцевой» развертки сенсора, выход синхроимпульсов которого подключен к АЦП, выход которого является выходом телевизионной камеры; при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая первый БПКП, вход которого подключен к выходу первого блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть» сервера, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), при этом первый фотоприемник телевизионной камеры, выполненный в виде кругового кольца по технологии ПЗС, содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область и выходной регистр сдвига, заканчивающийся БПЗН, при этом линейки светочувствительных и чередующиеся с ними линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там выходному регистру сдвига, который является «кольцевым», причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области первого фотоприемника равно числу элементов в его «кольцевом» регистре сдвига, введены последовательно расположенные и оптически связанные второй панорамный объектив и второй фотоприемник, оптическая ось которого расположена на одной линии с оптической осью первого фотоприемника, а ее направление противоположно направлению оптической оси первого фотоприемника, при этом управляющие входы второго фотоприемника объединены с управляющими входами первого фотоприемника; второй сигнальный процессор, информационный вход которого подключен к выходу второго фотоприемника, вход служебных импульсов второго сигнального процессора объединен с соответствующим входом первого сигнального процессора, а выход управляющего сигнала второго сигнального процессора подключен ко второму входу управления блока «кольцевой» развертки сенсора; а также мультиплексор, первый информационный вход которого подключен к выходу видеосигнала первого сигнального процессора, второй информационный вход мультиплексора - к выходу видеосигнала второго сигнального процессора, вход синхронизации мультиплексора - к выходу кадровых синхроимпульсов (КСИ) блока «кольцевой» развертки сенсора, а выход мультиплексора - к информационному входу АЦП; в плату видео, расположенную на материнской плате сервера; дополнительно введены демультиплексор и второй БПКП, вход которого подключен к выходу второго блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть» сервера, причем для второго БПКП число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1).
В заявляемом устройстве второй фотоприемник телевизионной камеры, как и первый его фотоприемник, реализуют «кольцевой» растр телевизионного изображения по методу «кольцевой строчный перенос». Важно отметить, что при этом характерным признаком является взаимное расположение первого и второго фотоприемников, предусматривающее расположение их оптических осей на одной линии, но имеющих противоположные направления. По этой причине целесообразно их объединение в конструктивном плане, например, в составе сенсорного блока.
Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства компьютерной системы не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
Телевизионная камера заявляемого устройства компьютерной системы панорамного наблюдения формирует на выходе мультиплексный цифровой телевизионный сигнал «кольцевого» изображения. Это означает, что он состоит из чередующихся телевизионных кадров, полученных соответственно от первого и второго фотоприемников. Последующее в сервере демультиплексирование входного телевизионного сигнала позволяет принципиально вдвое увеличить площадь пространственной сферической области, контролируемой телевизионной камерой, путем дополнительного наблюдения в реальном времени шарового слоя, расположенного в противоположном направлении по отношению к основному шаровому слою. Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения; на фиг. 2 приведена схема организации первого и второго фотоприемников; на фиг. 3, по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 4 - фрагмент организации фотоприемника (первого и второго), иллюстрирующий подробности его конструкции применительно к монохромному сенсору, а на фиг. 5 - то же самое применительно к сенсору цветного изображения.
Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, см. фиг. 1 и фиг. 2, 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 в состав телевизионной камеры 1 входит первый панорамный объектив 1-1, сенсорный блок 1-2, содержащий первый и второй фотоприемник, блок 1-3 «кольцевой» развертки сенсора, первый сигнальный процессор 1-4, АЦП 1-5, выход которого является выходом телевизионной камеры, а также второй панорамный объектив 1-6, второй сигнальный процессор 1-7 и мультиплексор 1-8, причем управляющие входы первого и второго фотоприемника сенсорного блока 1-2 подключены к выходам импульсных напряжений блока 1-3, выход первого фотоприемника - к первому информационному входу сигнального процессора 1-4, а выход второго фотоприемника - к первому информационному входу сигнального процессора 1-7, вход служебных импульсов которого объединен с входом служебных импульсов сигнального процессора 1-4 и подключен к соответствующему выходу блока 1-3, первый управляющий вход которого подключен к выходу управления первого сигнального процессора 1-4, а второй управляющий вход блока 1-3 - к выходу управления второго сигнального процессора 1-7; при этом первый и второй фотоприемник сенсорного блока 1-2 выполнены по технологии ПЗС в виде кругового кольца, а каждый из них содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область 1-2-1 и выходной «кольцевой» регистр сдвига 1-2-2, заканчивающийся БПЗН 1-2-3, выход первого сигнального процессора 1-4 подключен к первому информационному входу мультиплексора 1-8, выход второго сигнального процессора 1-7 - ко второму информационному входу мультиплексора 1-8, вход синхронизации которого подключен к выходу КСИ блока 1-3, а выход мультиплексора 1-8 - к информационному входу АЦП 1-5; при этом на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, выполняющая демультиплексирование входного цифрового телевизионного сигнала на два канала с последующей записью каждого из «кольцевых» видеосигналов в соответствующую оперативную память сервера и преобразование первого и второго «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1).
Первый панорамный объектив 1-1 и второй панорамный объектив 1-6 телевизионной камеры предназначены для формирования оптических изображений кругового обзора для двух противоположно расположенных шаровых слоев контролируемого пространства, например для телевизионного оператора, это может быть соответствующее пространство или сверху и снизу, или спереди и сзади, или справа и слева от него.
В качестве технического решения для панорамных объективов 1-1 и 1-6, совпадающих с аналогичным решением для прототипа, может быть предложен 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.
Отметим, что оба фотоприемника в составе сенсорного блока 1-2 могут быть датчиками как монохромного (черно-белого) видеосигнала, так и сигнала цветного изображения.
Организация монохромного фотоприемника, в том числе и устройство мишени (см. фиг. 4), ранее подробно изложена заявителем в его патенте [1].
Для получения цветного фотоприемника мишень монохромного прибора накрывается «кольцевым» мозаичным фильтром (см. фиг. 5). Конструкция этого фильтра ранее была подробно описана заявителем в его патенте [3].
Для «кольцевых» фотоприемников заявляемого устройства, как и для фотоприемника прототипа, электроды переноса на «кольцевых мишенях и в «кольцевых» регистрах сдвига могут быть выполнены с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца. Несомненно, что это предоставит и определенные преимущества при изготовлении «кольцевого» фотоприемника по технологии ПЗС. Следует отметить, что при использовании заявляемого устройства компьютерной системы панорамного наблюдения в охранных целях, где вполне приемлемо черно-белое изображение сцены, разумно кристалл каждого фотоприемника сенсорного блока 1-2 телевизионной камеры выполнить не на основе кремния, а на основе полупроводника из арсенида галлия. Тогда физически реально достигнуть без охлаждения красной границы спектральной характеристики 1,7 мкм и даже 2,2 мкм. [4, с. 113], а в результате получить выигрыш в чувствительности по обоим каналам.
Первый 1-4 и второй 1-7 сигнальные процессоры ничем не отличаются сигнального процессора прототипа [1]. Очевидно, что блоки 1-4 и 1-7 целесообразно выполнить в виде двухканального процессора.
Мультиплексор 1-8 предназначен для объединения двух аналоговых видеосигналов (от первого и второго фотоприемников) на единственную линию связи путем разделения составляющих сигналов по времени. Электрическая схема мультиплексора 1-8 может быть выполнена на операционных усилителях с внешним переменным смещением типа СА3078Т фирмы RCA (США) согласно техническому решению, которое приведено в [5, с. 295].
Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения (см. фиг. 1) работает следующим образом.
Предположим, что телевизионная камера 1, установленная на гексакоптере, (этим термином принято называть в технической литературе радиоуправляемую модель беспилотного летательного аппарата с шестью крыльями, предназначенного для выполнения аэровидео съёмки местности) расположена на некоторой высоте относительно Земли. Пусть для этого конструкторское решение сенсорного блока 1-2 в составе телевизионной камеры 1 реализовано так, что ось визирования первого панорамного объектива 1-1, а следовательно, и оптическая ось первого фотоприемника направлена по вертикали вверх. Тогда, по отношению к этому направлению, ось визирования второго панорамного объектива 1-6 будет ориентирована вниз по вертикали. Это означает, что точно так же будет ориентирована оптическая ось и второго фотоприемника.
Экспонирование «кольцевых» мишеней первого и второго фотоприемников производится непрерывно. Поэтому на выходе первого сигнального процессора 1-4 формируется аналоговый видеосигнал «кольцевого» кадра от первого фотоприемника, который ничем не отличается от видеосигнала прототипа [1]. А на выходе второго сигнального процессора 1-7 - аналоговый видеосигнал «кольцевого» кадра от второго фотоприемника сенсорного блока 1-2.
к
Далее выходные видеосигналы обоих процессоров при помощи мультиплексора 1-8 объединяются на одну линию, чередуясь с периодом кадров Т. Именно с таким периодом действует сигнал синхронизации для мультиплексора 1-8.
Затем в АЦП 1-5 аналоговый мультиплексный видеосигнал преобразуется в мультиплексный цифровой телевизионный сигнал (мультиплексный ЦТС) «кольцевого» кадра и поступает на выход телевизионной камеры.
Затем этот ЦТС по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на сервер 2, где (на плате видео) выполняется его демультиплексирование на два канала с последующей записью видеоинформации каждого канала соответственно в первый и второй блоки оперативной памяти на кадр.
г
Предположим, что, как и в прототипе, горизонтальный угол поля зрения (γ) предъявляемого оператору изображения составляет 60°. Тогда должно быть предусмотрено, что одна шестая часть каждой «кольцевой» строки, как первого, так и второго «кольцевых» кадров, записывается в сервере 2 соответственно в один из шести массивов оперативной памяти на кадр.
Затем в сервере 2 при помощи первого и второго БПКП, реализующих возложенные на них функции программным путем, параллельно осуществляется операция поэлементного считывания видеоинформации, т.е. вывода из памяти сигналов изображения, а в результате - конвертирование каждого «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть».
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 результате цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в n «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности операторам локальной вычислительной сети. В нашем примере эта последовательность содержит 6 различных изображений, как для первого, так и для второго «кольцевых» кадров.
Это означает, что к шести изображениям контролируемой в реальном времени сферической области применительно к шаровому слою, который расположен сверху, добавляются еще шесть изображений, имеющих отношение к невидимым прототипом шаровым слоям снизу.
Общая предлагаемая площадь наблюдения увеличивается в два раза.
В настоящее время все элементы структурной схемы заявляемого устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
Предлагаемое техническое решение устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения рассматривается заявителем в качестве альтернативы его заявке на изобретение №2015134886 от 18.08.2015.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2545519. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения и организация фотоприемника для его реализации. / В.М. Смелков // БИ - 2015. - №10.
2. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // БИ - 2002. - №20.
3. Патент РФ №2555855. МПК H04N 7/00. Устройство панорамного наблюдения «день - ночь» и телевизионная камера для его реализации. / В.М. Смелков // БИ - 2015. - №19.
4. Цыцулин А.К. Телевидение и космос: Учебное пособие. / Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003.
5. Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. / Перевод с англ. // М.: «Мир», 1985.