УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ
COMPUTER SYSTEM OF PANORAMIC TELEVISION OBSERVATION

Предлагаемое изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной системой при помощи сенсорного блока, состоящего из двух фотоприемников, имеющих форму мишени в виде кругового кольца и предназначенных для обзора 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 в состав телевизионной камеры входит первый панорамный объектив, сенсорный блок, содержащий первый и второй фотоприемники, блок «кольцевой» развертки сенсора, первый сигнальный процессор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого является выходом телевизионной камеры, а также второй панорамный объектив, второй сигнальный процессор и мультиплексор, причем управляющие входы первого и второго фотоприемника сенсорного блока подключены соответственно к выходам импульсных напряжений блока «кольцевой» развертки сенсора, выход первого фотоприемника - к информационному входу первого сигнального процессора, а выход второго фотоприемника - к информационному входу второго сигнального процессора, вход служебных импульсов которого объединен с входом служебных импульсов первого сигнального процессора и подключен к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки сенсора, первый управляющий вход которого подключен к выходу управления первого сигнального процессора, а второй управляющий вход блока «кольцевой» развертки сенсора - к выходу управления второго сигнального процессора, причем выход первого сигнального процессора подключен к первому информационному входу мультиплексора, выход второго сигнального процессора - ко второму информационному входу мультиплексора, вход синхронизации которого подключен к выходу кадровых синхроимпульсов (КСИ) блока «кольцевой» развертки сенсора, при этом первый и второй фотоприемники сенсорного блока выполнены по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) в виде круглого кольца, а каждый из них содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область (мишень) и выходной «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся блоком преобразования «заряд-напряжение» (БПЗН), причем линейки светочувствительных и чередующиеся с ними линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, а число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени фотоприемника равно числу элементов в его «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 и 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
где  - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем.
Для прототипа предполагается наличие следующих признаков:
- площадь светочувствительных элементов и соответственно площадь экранированных элементов на «кольцевых» мишенях первого и второго фотоприемников сенсорного блока от строки к строке одинакова;
- БПЗН каждого фотоприемника организован по типу «плавающая диффузионная область» [2], а поэтому имеет управляющий вход, обеспечивающий поэлементный сброс напряжения формируемого видеосигнала.
Недостаток прототипа - переменная величина разрешающей способности изображения, формируемого каждым из «кольцевых» фотоприемников в пределах кадра, которая изменяется в сторону уменьшения по направлению к внешней периферии сенсора из-за увеличивающейся величины зазора между его светочувствительными элементами (пикселами), имеющими одинаковый показатель по геометрической площади.
Задачей изобретения является выравнивание разрешающей способности изображения телевизионной камеры.
r
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 в состав телевизионной камеры входит первый панорамный объектив, сенсорный блок, содержащий первый и второй фотоприемники, блок «кольцевой» развертки сенсора, первый сигнальный процессор, АЦП, выход которого является выходом телевизионной камеры, а также второй панорамный объектив, второй сигнальный процессор и мультиплексор, причем управляющие входы первого и второго фотоприемников сенсорного блока подключены соответственно к выходам импульсных напряжений блока «кольцевой» развертки сенсора, выход первого фотоприемника - к информационному входу первого сигнального процессора, а выход второго фотоприемника - к информационному входу второго сигнального процессора, вход служебных импульсов которого объединен с входом служебных импульсов первого сигнального процессора и подключен к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки сенсора, первый управляющий вход которого подключен к выходу управления первого сигнального процессора, а второй управляющий вход блока «кольцевой» развертки сенсора - к выходу управления второго сигнального процессора, причем выход первого сигнального процессора подключен к первому информационному входу мультиплексора, выход второго сигнального процессора - ко второму информационному входу мультиплексора, вход синхронизации которого подключен к выходу кадровых синхроимпульсов (КСИ) блока «кольцевой» развертки сенсора, при этом первый и второй фотоприемники сенсорного блока выполнены по технологии ПЗС в виде круглого кольца, а каждый из них содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область (мишень) и выходной «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся блоком преобразования «заряд-напряжение» (БПЗН), причем линейки светочувствительных и чередующиеся с ними линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, а число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени фотоприемника равно числу элементов в его «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 и 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), в состав телевизионной камеры введен блок формирования апертуры (БФА), информационный вход которого подключен к выходу импульсов сброса блока «кольцевой» развертки, синхронизирующий вход БФА - к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки, а выход БФА - к третьему управляющему входу блока «кольцевой» развертки, при этом период управляющих импульсов T, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением
р
где Т - период считывания элемента в первом и втором «кольцевых» фотоприемниках;
m
n - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в каждом из «кольцевых» фотоприемников равна отношению
1
где Δ - площадь светочувствительного элемента для первой строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике;
m
Δ - площадь светочувствительного элемента для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике,
при этом площадь светочувствительных элементов и соответственно площадь экранированных элементов на «кольцевых» мишенях первого и второго фотоприемников от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь пиксела их «кольцевого» регистра сдвига.
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, как и в прототипе [1], формирует на выходе мультиплексный цифровой телевизионный сигнал «кольцевого» изображения.
Выполнение поставленной задачи, а именно выравнивания разрешающей способности изображения, осуществляется путем реализации в обоих «кольцевых» фотоприемниках различных по площади светочувствительных элементов и управления зарядовым считыванием в видеосигнале сенсора с одинаковой величиной площади апертуры.
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 - фрагмент организации фотоприемника (первого и второго), иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 4, по данным [3], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 5, по данным [2, с. 19], представлена структурная схема БПЗН с организацией «плавающая диффузионная область»; на фиг. 6 изображена эпюра выходного сигнала БФА, который выполняет управление апертурой «кольцевого» фотоприемника.
Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, см. фиг. 1…3, 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 фотоприемники, 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, мультиплексор 1-8 и БФА 1-9, причем управляющие входы первого и второго фотоприемников сенсорного блока 1-2 подключены к выходам импульсных напряжений блока 1-3, выход первого фотоприемника - к информационному входу сигнального процессора 1-4, а выход второго фотоприемника - к 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 сигнального процессора 1-4, а второй управляющий вход блока 1-3 - к выходу управления сигнального процессора 1-7; при этом первый и второй фотоприемники 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 сигнального процессора 1-4 подключен к первому информационному входу мультиплексора 1-8, выход 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; выход импульсов сброса блока 1-3 подключен к информационному входу БФА 1-9, синхронизирующий вход которого подключен к соответствующему выходу блока 1-3, а выход БФА 1-9 - к третьему управляющему входу блока 1-3, 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 [3].
Фотография кольцевого изображения, формируемого панорамным объективом, представлена на фиг. 4. 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 предлагаемого решения могут быть лишь датчиками монохромного видеосигнала.
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 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 от 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].
ф1
ф2
ф3
выхз
вых
сбр
На фиг. 5 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 1-2-3; 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) 1-9 предназначен для управления считывающей апертурой в сенсорном блоке 1-2 при поэлементном съеме напряжения видеосигнала в БПЗН 1-2-3 обоих «кольцевых» фотоприемников. В результате для всех строк этих фотоприемников обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры при различной от строки к строке площади электродов светочувствительных элементов сенсоров.
r
с1
cn
Эпюра выходного сигнала T, вырабатываемая на выходе БФА 1-9, представлена на фиг. 6. Предполагается, что фотоприемник 1-2 содержит n «кольцевых» строк. На этой диаграмме первая строка обозначена как Т, а последняя строка - как Т.
Управляющие импульсы имеют положительную полярность, малую (короткую) длительность и различный период следования в пределах каждой из «кольцевых» строк.
r1
r.n.
r1
p
r.n.
r.
Период управляющих импульсов для первой «кольцевой» строки обозначен T, а период управляющих импульсов для последней «кольцевой» строки - T Период T является самым малым и равен периоду считывания элемента T, а период считывания T - самым большим, который равен n T
Коэффициент n в последнем выражении определяется соотношением
1
где Δ - площадь светочувствительного элемента для первой строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике;
n
Δ - площадь светочувствительного элемента для последней строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике.
В физическом плане управление площадью апертуры 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.
БФА 1-9 на практике может быть реализован с использованием классического набора технических средств (логических элементов) цифровой электроники. Очевидно, что БФА 1-9 может быть выполнен в составе блока 1-3 «кольцевой» развертки сенсора телевизионной камеры.
Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения (см. фиг. 1) работает следующим образом.
1
1
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 съемки 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, а на выходе второго сигнального процессора 1-7 - аналоговый видеосигнал «кольцевого» кадра от второго фотоприемника сенсорного блока 1-2.
Блок формирования апертуры (БФА) 1-9 управляет работой обоих «кольцевых» фотоприемников по входу «Импульсы сброса» для БПЗН 1-2-3 (см. фиг. 5). В результате этого управления для всех строк каждого из фотоприемников обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры, что гарантирует одинаковую чувствительность сенсора по пространству мишени.
Напряжение аналогового видеосигнала «кольцевого» фотоприемника формируется на выходе БПЗН 1-2-3 (см. клемму «Точка съема видеосигнала», показанную на фиг. 5). Очевидно, что таким образом для каждого фотоприемника сенсорного блока 1-2 обеспечено выравнивание разрешающей способности по всей площади мишени «кольцевого» изображения, реализуя практически одинаковую четкость изображения в пределах всего «кольцевого» кадра.
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.
Предположим, что, как и в прототипе, горизонтальный угол поля зрения  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 в реальном масштабе времени контролируются шесть изображений одинаковой по полю (повышенной) четкости применительно к верхнему шаровому слою пространства и шесть изображений повышенной четкости, имеющих отношение к нижнему его шаровому слою.
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.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2600308. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2016. - №29.
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.
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.