УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ ФОТОПРИЁМНИКА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
CONFIGURATION OF TV PANORAMIC OBSERVATION COMPUTER SYSTEM AND ORGANISATION OF PHOTO RECEIVER TO THIS END

Предлагаемая группа изобретений относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется телевизионной 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 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 твердотельный фотоприемник с прямоугольной мишенью и блок фотоприемника, обеспечивающий прогрессивную или чересстрочную 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, 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, 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.
Недостаток прототипа компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения - избыточная полоса пропускания канала связи телевизионной камеры с сервером.
Для телевизионной камеры прототипа известно техническое решение ее важнейшего компонента - фотоприемника [2], имеющего прямоугольную форму мишени, который выполнен по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и содержит на общем кристалле фотоприемную область, секцию памяти, выходной горизонтальный регистр сдвига и преобразователь «заряд - напряжение» (БПЗН). Такая схемотехническая организация матричного фотоприемника на ПЗС получила название «строчно-кадровый перенос. Фотоприемная область у нее выполнена точно так же, как у матрицы с организацией «строчный перенос», но в приборе имеется встроенная секция аналоговой памяти на кадр, расположенная между фотоприемной областью и выходным регистром (см., например, [2, с. 42]),
За рубежом эту концепцию матрицы ПЗС называют "frame-line transfer", т.е. в буквальном переводе с английского этот термин означает «кадрово-строчный перенос» (см. например, [3, с. 137]).
Фотоприемная секция такого матричного сенсора обеспечивает накопление зарядовых пакетов в светочувствительных элементах, в качестве которых используются фотодиоды, организованные в линейки столбцов. В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится нечувствительный к свету вертикальный ПЗС-регистр сдвига, отделенный от фотодиодов фотозатвором. В интервале прямого хода кадровой развертки, когда на фотозатвор подается низкий уровень напряжения, обеспечивающий потенциальный барьер между фотодиодами и вертикальным ПЗС-регистром, происходит накопление зарядовых пакетов. По окончании накопления на фотозатвор кратковременно, в интервале обратного хода по кадру, подается высокий уровень напряжения, разрешающий перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в вертикальных ПЗС-регистрах сдвига. Затем, в том же интервале обратного хода кадровой развертки, эти заряды переносятся параллельно вниз - в экранированную от света секцию памяти. В последующем интервале прямого хода по кадру зарядовые пакеты из секции памяти переносятся (в интервалах обратного хода строчной развертки) строка за строкой вниз по направлению к горизонтальному выходному регистру сдвига. Каждая зарядовая строка изображения затем поэлементно считывается через БПЗН, образуя на выходе «видео» фотоприемника электрический видеосигнал.
Фотоприемник, выполненный по технологии ПЗС в виде прямоугольной матрицы в соответствии с концепцией «строчно-кадровый перенос», обладает наилучшим показателем в части отношения сигнал/шум [3, с. 135].
Однако следует признать и его «слабость» в качестве фотоприемника для устройства прототипа. Недостаток заключается в том, что его организация с выполнением прямоугольной формы мишени, не является благоприятной (оптимальной) применительно к кольцевому оптическому изображению контролируемой сцены, формируемому панорамным объективом.
Обоснованием этого утверждения служит необходимость иметь для фотоприемника высокое число элементов (пикселов) по горизонтали и вертикали. При этом значительная часть пикселов является бесполезной, т.к. не несет информации о наблюдаемом сюжете, но принудительно используется при формировании видеосигнала в телевизионной камере. Отсюда и возникает вынужденное расширение полосы пропускания для канала связи телевизионной камеры с сервером, что является недостатком всего устройства компьютерной системы прототипа.
Задачей изобретения является оптимизация устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения путем устранения избыточной полосы пропускания канала связи телевизионной камеры с сервером за счет использования для фотоприемника телевизионной камеры кристалла мишени в форме кругового кольца и с организацией «кольцевого» растра изображения.
Поставленная задача в заявляемом устройстве компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения 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 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 «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), а само это преобразование выполняется программным путем, вносится изменение в устройство телевизионной камеры, заключающееся в том, что вводится другая схемотехническая организация фотоприемника, за счет которой обеспечиваются другие («кольцевые») параметры и характеристики развертки видеосигнала.
Для фотоприемника телевизионной камеры прототипа [2], который выполнен по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и содержит на общем кристалле фотоприемную область, секцию памяти, выходной регистр сдвига, заканчивающийся преобразователем «заряд - напряжение» (БПЗН), причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов чередуются с линейками экранированных от света элементами, поставленная задача решается тем, что мишень фотоприемника имеет форму кругового кольца, а линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области, а также линейки экранированных от света элементов секции памяти 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 и в каждой «кольцевой» строке секции памяти фотоприемника равно числу элементов в его «кольцевом» регистре сдвига.
Благодаря этому блок фотоприемника телевизионной камеры формирует не «прямоугольный», а «кольцевой» растр изображения.
Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемое устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения отличается наличием новых параметров реализуемой развертки сигнала изображения в телевизионной камере, которые обеспечивают ей принципиальное отличие от прямоугольной развертки, а сама она может быть охарактеризована как «кольцевая» развертка видеосигнала по методу «кольцевой строчно-кадровый перенос».
По отношению к прототипу [2] заявляемая организация фотоприемника телевизионной камеры отличается геометрической формой его выполнения, обеспечивающей реализацию нового («кольцевого») растра изображения при сохранении ПЗС-технологии изготовления сенсора и, что не менее важно, при сохранении требуемых сигналов для его управления.
Совокупность известных и новых признаков каждого из этих двух заявляемых устройств не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
Заявляемое решение содержит группу изобретений, образующих единый изобретательский замысел для случая, когда условием объединения в группу является предназначенность одного объекта для осуществления в другом.
Применительно к предлагаемому решению условие единого изобретательского замысла соблюдено, т.к. объект изобретения - организация фотоприемника телевизионной камеры предназначена для осуществления в другом объекте - устройстве системы телевизионного наблюдения.
В заявляемом решении чрезмерно высокая информационная емкость фотоприемника не требуется, сокращается и избыточная полоса пропускания канала связи телевизионной камеры с сервером. Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена структурная схема первого заявляемого изобретения - устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения; на фиг. 2 приведена схема организации фотоприемника, представляющая второе заявляемое изобретение; на фиг. 3. показан фрагмент фотоприемника по фиг. 2, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 4, по данным [4], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 5 - структурная схема телевизионной камеры с использованием заявляемого фотоприемника; на фиг. 6 - временные диаграммы, поясняющие работу этой телевизионной камеры; на фиг. 7 схематически показано содержимое оперативной памяти сервера, где записано кольцевое панорамное изображение, воспринимаемое фотоприемником, когда каждая «кольцевая» строка при записи «разбита» на шесть составляющих; на фиг. 8 - предлагаемое оператору это панорамное изображение в виде последовательности из 6-ти «прямоугольных» кадров; на фиг. 9 - возможная структурная схема для выполнения сетевого компьютерного решения с использованием заявляемого устройства.
Заявляемое устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, 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 состоит из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива 1-1, твердотельного фотоприемника 1-2 и блока 1-3 кольцевой развертки фотоприемника и формирования цифрового телевизионного сигнала, при этом управляющие входы фотоприемника 1-2 подключены к выходам импульсных напряжений блока 1-3, реализующих «кольцевую» развертку, а выход цифрового телевизионного сигнала, формируемого в блоке 1-3, является выходом телевизионной камеры 1, 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, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1).
Заявляемая организация фотоприемника 1-2, см. фиг. 3…4, с мишенью в виде кругового кольца может быть реализована по технологии ПЗС.
Она содержит на общем кристалле фотоприемную область 1-2-1, в которой чередуются радиально расположенные (от воображаемого геометрического центра кольца) линейки светочувствительных элементов и линейки элементов, экранированных от света, а также линейки экранированных от света элементов секции памяти 1-2-2, «кольцевой» регистр сдвига 1-2-3 и БПЗН 1-2-4, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области 1-2-1 и в каждой «кольцевой» строке секции памяти 1-2-2 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-3.
Следует отметить, что для заявляемого «кольцевого» фотоприемника электроды переноса в фотоприемной области, в секции памяти и в «кольцевом» регистре 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.
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, совпадающим 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 [4].
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.
Блок 1-3 телевизионной камеры, как и для прототипа [1], содержит временной контроллер 1-3-1, сигнальный процессор 1-3-2, первый преобразователь уровней (ПУ) 1-3-3, второй ПУ 1-3-4 и третий ПУ 1-3-5, а также аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1-3-6, выход которого является выходом телевизионной камеры.
Чувствительность телевизионной камеры, а следовательно, и системы панорамного наблюдения в целом может быть существенно повышена, если в состав блока 1-3 будет дополнительно введен формирователь импульсов (ФИ) 1-3-6, как показано на фиг. 5. Блок ФИ 1-3-6 предназначен для осуществления логического управления работой секции памяти 1-2-2 фотоприемника с целью суммирования в ней зарядовых пакетов, сформированных в фотоприемной секции 1-2-1.
к
к
Пусть l - число суммируемых в секции 1-2-2 кадров. Тогда период следования цифрового видеосигнала, поступающего в оперативную память сервера 2, будет равен lT, а вывод из памяти, как и ранее, - Т.
Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения (см. фиг. 1) работает следующим образом. 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 переносом зарядовых пакетов всех строк кадра в секцию памяти 1-2-2 и заключительным поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-3 с формированием на выходе БПЗН 1-2-4 напряжения видеосигнала в аналоговой форме. При этом в интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов, пропорциональных 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.
В том же интервале обратного хода по кадру накопленные ранее зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся из области 1-2-1 в секцию 1-2-2.
Затем фотозатвор закрывается и в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а предыдущая зарядовая «картина» выводится из кристалла фотоприемника. При этом в интервале обратного хода строчной развертки происходит загрузка новыми зарядами из секции 1-2-2 в «кольцевой» регистр 1-2-3, которые затем, в каждом последующем интервале прямого хода по строке, переносятся в направлении к БПЗН 1-2-4, где для сигнала изображения выполняется поэлементное конвертирование уровня заряда в уровень напряжения.
Аналоговый видеосигнал фотоприемника, как и в прототипе, преобразуется далее при помощи сигнального процессора 1-3-2 и АЦП 1-3-6 в цифровой телевизионный сигнал (ЦТС) «кольцевого» кадра на выходе телевизионной камеры. Затем ЦТС по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на сервер 2, где выполняется запись видеоинформации в его оперативную память на кадр.
г
Предположим, что горизонтальный угол поля зрения (γ) предъявляемого оператору изображения составляет 60°. 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.
Допустим, что полное число «кольцевых» строк в «кольцевом» кадре составляет m.
Содержимое оперативной памяти сервера 2, куда записывается панорамное изображение, может быть представлено так, как это показано на фиг. 7, т.е. в его составе шесть массивов памяти с записью в них соответственно шести областей входного видеосигнала текущего «кольцевого» кадра. Принятое на фиг. 7 обозначение заполненных ячеек памяти состоит из двух цифр и знака «дефис» между ними. Первая цифра отражает порядковый номер регистрируемой (1/6) части «кольцевой» строки, а вторая цифра - порядковый номер самой «кольцевой» строки в «кольцевом» кадре.
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.
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 (см. фиг. 8) операторам локальной вычислительной сети. В нашем примере эта последовательность содержит 6 различных изображений.
Будем считать, что в качестве персональных компьютеров 3, образующих эту сеть, использованы ноутбуки. Они содержат в своем составе материнскую плату с установленными на ней процессором и оперативной памятью, а также жесткий диск, дисплей, клавиатуру и тачпад - указательное устройство, используемое вместо манипулятора «мышь». Оператор каждого ноутбука 3 может осуществить селекцию предлагаемого сервером 2 изображения и его вывод на экран дисплея.
Пусть освещенность наблюдаемой сцены в вечернее или в ночное время такова, что начинает сказываться нехватка чувствительности телевизионной камеры из-за низкого отношения сигнал/шум на выходе «видео» фотоприемника 1-2. Тогда вручную или автоматически производится перевод фотоприемника 1-2 на работу в режиме суммирования зарядовых пакетов кадров в секции памяти 1-2-2.
Пусть в фотоприемнике 1-2 использована трехфазная система управления зарядовыми пакетами, а в текущий момент выполняется суммирование l кадров. Тогда на вход стробирования ФИ 1-3-6, см. фиг. 5, приходит с временного контроллера 1-3-1 сигнал управления, показанный на фиг. 7а. Поэтому подаваемые на тактовый вход ФИ 1-3-6 трехфазные импульсные последовательности (см. фиг. 7б…г) будут преобразованы в другие управляющие последовательности, как показано соответственно на фиг. 7д…ж.
к
к
В результате в фотоприемнике 1-2 зарядовые пакеты, накопленные в области 1-2-1, складываются в секции 1-2-2. В сигнале «Выход видео» фотоприемнике отношение сигнал/шум увеличивается в l раз, но сам сигнал изображения будет следовать с периодом lT, т.е. с пропуском на величину временного интервала (l-1)Т, как представлено на фиг. 7з.
В остальном работа устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с таким фотоприемником ничем не отличается от описанной выше. А в итоге компьютерные пользователи в данное время суток могут получить видеоинформацию с повышенным отношением сигнал/шум.
Дополнительным результатом заявляемого решения компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения можно считать и возможность создания на ее основе сложных компьютерных систем за счет успешного вписывания, как в локальную вычислительную сеть, так и в глобальную сеть Интернет. Пример структурной схемы по организации такой системы представлен на фиг. 9. Отметим, что стрелки на линиях связи этой схемы иллюстрируют передачу сигнала изображения.
1
1
Здесь компьютер 4 оператора дополнительно выполняет функции сервера. Благодаря использованию в данной системе роутера (Для этого прибора России чаще употребляется название «Маршрутизатор»), которому присвоена позиции 5, информация, хранящаяся на этом сервере, становится доступной и любому другому пользователю компьютера в локальной сети, например компьютеру 7.
Модем 6 позволяет предоставить видеоинформацию и по сети Интернет, т.е. она может поступить на компьютер удаленного пользователя, например на компьютер 8.
В настоящее время все элементы структурной схемы устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения и устройства по организации фотоприемника для этой системы освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предлагаемую группу изобретений соответствующей 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. Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телевидение в системах физической защиты: Учебное пособие. / Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001.
3. Владо Дамьяновски. СТV. Библия видеонаблюдения, Цифровые и сетевые технологии. / Перевод с англ. М.: ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.
4. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002. - №20.