СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВИДЕОСИГНАЛА В "КОЛЬЦЕВОМ" ФОТОПРИЁМНИКЕ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ
METHOD OF FORMING VIDEOSIGNAL IN "RING" PHOTODETECTOR FOR COMPUTER SYSTEM OF PANORAMIC TELEVISION SURVEILLANCE

Предлагаемое изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной системой при помощи телевизионной камеры кругового обзора в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ формирования видеосигнала, реализованный в компьютерной системе панорамного телевизионного наблюдения [1], содержащей 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, причем телевизионная камера формирует «кольцевой» растр изображения, а ее «кольцевой» фотоприемник выполнен по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и имеет кристалл мишени в виде кругового кольца, а блок фотоприемника обеспечивает развертку аналогового видеосигнала и формирование на выходе телевизионной камеры цифрового телевизионного сигнала, при этом «кольцевой» фотоприемник содержит на общем кристалле фотоприемную область, «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся преобразователем «заряд - напряжение» (БПЗН), причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, а число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига, при этом 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 «прямоугольных» кадров k, 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.
Для прототипа [1] предполагается, что блок фотоприемника содержит блок «кольцевой» развертки видеосигнала, а также соединенные последовательно сигнальный процессор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области «кольцевого» фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки - к управляющему входу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, пятый выход блока «кольцевой» развертки - к тактовому входу АЦП.
Для «кольцевого» фотоприемника прототипа однозначно понимается его внешняя периферия как область пространства, расположенная за внешней границей кольца, а также его внутренняя периферия - площадь внутреннего (малого) круга.
Для фотоприемника прототипа предполагается, что его БПЗН организован по типу «плавающая диффузионная область» [2], а поэтому имеет управляющий вход, обеспечивающий сброс напряжения формируемого видеосигнала.
В фотоприемнике прототипа присутствуют следующие действия:
- накапливают зарядовое изображение информационного кадра на светочувствительных элементах мишени;
- осуществляют «кольцевую» развертку зарядового изображения на мишени с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре сдвига и формированием на выходе БПЗН напряжения видеосигнала.
r
р
Условием работы фотоприемника прототипа является то, что в каждой «кольцевой» строке период управляющих импульсов (импульсов сброса) T для БПЗН равен периоду считывания элемента Т в «кольцевом» регистре сдвига. Это означает, что сенсор работает в режиме с одноэлементной апертурой.
Недостаток способа формирования видеосигнала в «кольцевом» фотоприемнике прототипа - отсутствие возможности управления его чувствительностью по полю в радиальном направлении.
Задачей изобретения является создание режима повышения чувствительности «кольцевого» фотоприемника по полю в радиальном направлении к его внутренней периферии путем пропорционального увеличения площади апертуры.
r
Поставленная задача в заявляемом способе формирования видеосигнала в «кольцевом» фотоприемнике для компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения решается тем, что в «кольцевом» фотоприемнике прототипа, выполненном по технологии ПЗС, который имеет кристалл в виде кругового кольца и содержит в его пределах фотоприемную область (мишень), «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся БПЗН с организацией «плавающая диффузия», при этом на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, а число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига, причем площадь светочувствительных и экранированных элементов на фотоприемной области одинакова по величине в каждой «кольцевой» строке и от строки к строке по мере движения к внешней периферии фотоприемника или наоборот, т.е. в обратном направлении: от внешней периферии фотоприемника к его внутренней периферии, накапливают зарядовое изображение информационного кадра на светочувствительных элементах мишени, осуществляют «кольцевую» развертку зарядового изображения на мишени с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре сдвига и формированием на выходе БПЗН напряжения видеосигнала, отличающимся тем, что в процессе получения сигнала изображения выполняют новое действие, а именно: управляют площадью считывающей апертуры за счет того, что от строки к строке меняется период T по соотношению:
m
где n - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» регистре сдвига равна отношению:
где  и  - величина зазора между светочувствительными элементами соответственно для текущей и первой строки считывания на мишени «кольцевого» фотоприемника.
Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что новое действие по управлению площадью считывающей апертуры «кольцевого» фотоприемника обеспечивает управление его чувствительностью по полю в радиальном направлении и без внесения шумовых потерь для видеосигнала.
Совокупность известных и новых признаков для заявляемого способа не известна из уровня техники, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
Управление чувствительностью выполняется в «кольцевом» растре изображения. Поэтому данное техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена структурная схема компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, в составе телевизионной камеры которой реализован заявляемый способ формирования видеосигнала; на фиг. 2 приведена схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника, используемого в этой телевизионной камере и полностью совпадающего с устройством сенсора прототипа [1]; на фиг. 3 показан фрагмент этого фотоприемника, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 4, по данным [2, с. 19], представлена структурная схема БПЗН с организацией «плавающая диффузионная область»; на фиг. 5 изображена эпюра логического сигнала, который выполняет управление апертурой «кольцевого» фотоприемника; на фиг. 6, по данным [3], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива.
r
Телевизионная камера 1 (см. фиг. 1) содержит последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив 1-1 и «кольцевой» фотоприемник 1-2; блок 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала, соединенные последовательно сигнальный процессор 1-4 и АЦП 1-5, а также блок формирования апертуры (БФА) 1-6, причем «кольцевой» фотоприемник 1-2 имеет форму кругового кольца из кремния (см. фиг. 2…3), у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области 1-2-1 расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига 1-2-2, оканчивающемуся БПЗН 1-2-3, а число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области 1-2-1 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-2, причем площадь светочувствительных элементов и площадь экранированных элементов фотоприемной области 1-2-1 одинакова по величине в каждой «кольцевой» строке и от строки к строке по мере движения к внешней или наоборот - к внутренней периферии фотоприемника, при этом информационный вход сигнального процессора 1-4 подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника 1-2, первый выход блока 1-3 - к управляющим входам фотоприемной области 1-2-1 «кольцевого» фотоприемника, второй выход блока 1-3 - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига 1-2-2 «кольцевого» фотоприемника, третий выход блока 1-3 - к управляющему входу БПЗН 1-2-3 «кольцевого» фотоприемника, четвертый выход блока 1-3 - к входу синхронизации сигнального процессора 1-4, пятый выход блока 1-3 - к тактовому входу АЦП 1-5, шестой выход блока 1-3 - к информационному входу БФА 1-6, седьмой выход блока 1-3 - к синхронизирующему входу БФА 1-6, выход которого подключен к управляющему входу блока 1-3, при этом период управляющих импульсов T, формируемых на выходе БФА 1-6, определяется соотношением (2).
Телевизионная камера 1 используется в составе компьютерной системы панорамного наблюдения, например в составе компьютерной системы прототипа [1], которая 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 на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, выполняющая программным путем запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера и преобразование «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров k, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1).
Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры, как и в прототипе, предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора (кольцевого изображения). В качестве технического решения для панорамного объектива 1-1, совпадающего с аналогичным решением для прототипа, может быть предложен панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами [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, см. фиг. 6, подтверждает целесообразность выбора формы фотоприемника 1-2 в пользу кругового кольца.
Блок 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала, сигнальный процессор 1-4 и АЦП 1-5 выполнены с использованием комплекта специализированных микросхем высокого уровня интеграции и ничем не отличаются от соответствующих блоков прототипа [1].
ф1
ф2
ф3
выхз
вых
сбр
На фиг. 4 показана возможная структурная схема БПЗН «кольцевого» фотоприемника с организацией «плавающая диффузионная область», которая полностью совпадает со схемой, применяемой в настоящее время в матрицах ПЗС для реализации прямоугольной развертки видеосигнала. На этом чертеже приняты следующие обозначения: U, U, U - напряжения на шинах для трехфазного управления «кольцевым» регистром сдвига 1-2-2; U - напряжение на выходном затворе; Д, Д - выходной и сбрасывающие диоды соответственно.
сбр
Перед считыванием информационного заряда очередного элемента (пиксела) в процессе его преобразования в напряжение видеосигнала информационный заряд предыдущего элемента должен быть сброшен в стирающий диод Д.
r
Эта процедура осуществляется при помощи управляющих импульсов T, называемых часто в литературе импульсами сброса, которые подаются на соответствующую шину управления БПЗН 1-2-3.
Блок формирования апертуры (БФА) 1-6 предназначен для управления считывающей апертурой в «кольцевом» фотоприемнике 1-2 при поэлементном съеме напряжения видеосигнала в БПЗН 1-2-3. В результате площадь считывающей апертуры по полю изображения от строки к строке увеличивается по направлению к внешней периферии сенсора.
r
c1
cn
Эпюра выходного сигнала T, вырабатываемая на выходе БФА 1-6, представлена на фиг. 5. Предполагается, что фотоприемник 1-2 содержит n «кольцевых» строк. На этой диаграмме первая строка обозначена как T, а последняя строка - как T.
Управляющие импульсы имеют положительную полярность, малую (короткую) длительность и различный период следования в пределах каждой из «кольцевых» строк.
r1
r
n
r1
р
r
n
Период управляющих импульсов для первой «кольцевой» строки обозначен T, а период управляющих импульсов для последней «кольцевой» строки - T. Период считывания T. является самым малым и равен периоду считывания элемента Т, а период считывания T - самым большим, который равен - .
В физическом плане управление апертурой осуществляется за счет суммирования зарядовых пакетов в соседних элементах каждой текущей «кольцевой» строки сенсора до выполнения процедуры преобразования «заряд - напряжение». Поэтому это зарядовое сложение не может быть дополнительным источником шумов для видеосигнала на выходе телевизионной камеры.
Рассмотрим реализацию заявляемого способа формирования видеосигнала в телевизионной камере, выполненной на базе фотоприемника прототипа [1] (см. фиг. 1…3).
Как и в прототипе [1], предполагается, что телевизионная камера 1 установлена в фиксированное положение, например, при помощи фотоштатива (на фиг. 1 он не показан).
Фотоприемник 1-2 телевизионной камеры (см. фиг. 2…3) реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-2-1 с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-2 и формированием на выходе БПЗН 1-2-3 напряжения видеосигнала в аналоговой форме.
При этом в интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности панорамного сюжета в светочувствительных пикселах фотоприемной области 1-2-1.
В течение кратковременного промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки открывается фотозатвор, и заряды всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, переносятся (за один шаг поворота) в экранированные от света пикселы, расположенные на той же области 1-2-1.
Затем фотозатвор закрывается и в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода строчной развертки новыми зарядами «кольцевой» регистр 1-2-2.
Блок формирования апертуры (БФА) 1-6 управляет работой «кольцевого» фотоприемника по входу «Импульсы сброса» для БПЗН 1-2-3 (см. фиг. 4). В результате этого управления обеспечивается наименьшая площадь считывающей апертуры для первой «кольцевой» строки и наибольшая площадь апертуры для последней «кольцевой» строки, что гарантирует рост чувствительности фотоприемника в направлении к внутренней периферии фотоприемника.
Напряжение аналогового видеосигнала «кольцевого» фотоприемника формируется на выходе БПЗН 1-2-3 (см. клемму «Точка съема видеосигнала», показанную на фиг. 4). Затем, как и в прототипе, сформированный аналоговый видеосигнал преобразуется при помощи сигнального процессора 1-4 и АЦП 1-5 в цифровой телевизионный сигнал (ЦТС) «кольцевого» кадра на выходе телевизионной камеры.
Далее ЦТС по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на сервер 2 компьютерной системы, где выполняется запись видеоинформации в его оперативную память на кадр.
г
Предположим, что, как и в прототипе [1], горизонтальный угол поля зрения (γ) предъявляемого оператору изображения должен составлять 60°. Тогда одна шестая часть каждой «кольцевой» строки из «кольцевого» кадра записывается в сервере 2 соответственно в один из шести массивов оперативной памяти на кадр.
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 и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» сервера 2.
В результате цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в k «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности операторам персональных компьютеров 3 локальной вычислительной сети. В примере эта последовательность содержит 6 различных изображений, а оператор каждого персонального ноутбука 3 может осуществить селекцию предлагаемого сервером 2 изображения и его вывод на экран дисплея.
Очевидно, что в предлагаемых операторам «прямоугольных» кадрах будет поддержано программным путем реализованное в «кольцевых» кадрах телевизионной камеры повышение чувствительности по полю изображения в направлении к внутренней периферии фотоприемника.
Следует отметить, что технический результат, достигаемый в результате реализации заявляемого способа формирования видеосигнала, может быть использован как автономно, так и в дополнительном режиме работы компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, изображенной на фиг. 1. Последнее предполагает выполнение ручного или дистанционного переключения БФА 1-6 в предлагаемый режим управления апертурой фотоприемника из его основного режима работы с одноэлементной апертурой.
В настоящее время все элементы структурной схемы телевизионной камеры для компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предполагаемое изобретение на способ формирования видеосигнала соответствующим требованию о промышленной применимости.
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 // Б.И. - 2015. - №10.
2. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. - «Радио и связь», 1986.
3. Патент РФ №2185645, МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002. - №20.