Способ оптико-электронного наблюдения охраняемой территории на основе предзаписи изображений с телевизионной камеры
Method of optoelectronic surveillance of a protected area based on pre-recording of images from a television camera

Изобретение относится к техническим системам обнаружения, использующих комбинации систем, в т.ч. системы видеонаблюдения для контроля круглосуточного контроля обстановки на охраняемой территории объекта, а именно к системам пространственного ориентирования оператора стационарной мультиспектральной системы оптико-электронного наблюдения, которая осуществляет наблюдение за объектом посредством одновременной регистрации оптических волн различных спектральных диапазонов.
Из патента РФ №2563557 известен принятый за прототип способ оптико-электронного наблюдения охраняемой территории, заключающийся в том, что постоянно осуществляют видеонаблюдение территории с помощью телевизионной камеры и тепловизора, видеоинформацию с которых передают в автоматизированное рабочее место оператора (АРМ оператора) и отображают на экране монитора, при наведении телевизионной камеры на заданный участок охраняемой территории производят считывание текущих значений ее параметров трансфокации, на основе которых выполняют автоматическую установку поля зрения тепловизора в положение, обеспечивающее приведение к одному масштабу, выводимых одновременно в реальном времени на мониторе АРМ оператора двух видеоизображений - с телевизионной камеры и тепловизора.
Общими существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого изобретения являются следующие - способ оптико-электронного наблюдения охраняемой территории, заключающийся в постоянном осуществлении видеонаблюдения территории с помощью моторизированных телевизионной камеры и тепловизора, передаче видеоинформации в автоматизированное рабочее место оператора (АРМ оператора) с отображением на экране монитора; считывании текущих значений параметров трансфокации при наведении телевизионной камеры на заданный участок охраняемой территории, автоматической установке тепловизора на основе текущих значений параметров трансфокации в положение, обеспечивающее приведение к одному масштабу выводимых в реальном времени на мониторе АРМ оператора двух видеоизображений.
Прототип обладает широкими возможностями наблюдения за участками контроля в условиях достаточной оптической видимости (при прозрачности атмосферы более 80%), светлого времени суток и достаточно высокого температурного контраста цели и подстилающей поверхности в зоне наблюдения (не менее 1°С). Однако, в случае пониженного температурного контраста в темное время суток, плохой оптической видимости (вызванной, например осадками в виде дождя, снега или тумана) усложняется работа оператора, появляются сложности в пространственном ориентировании, что, в свою очередь, не позволяет достаточно точно и своевременно определить место, на которое нацелены оптические каналы системы. Указанный недостаток может привести к потере наблюдаемой цели или сложности ее термографического обнаружения в темное время суток, в особенности при наблюдении за протяженными рубежами, когда приходится непрерывно вращать опорно-поворотную платформу, изменять фокусы телевизионного (ТВ) и тепловизионного (ТП) модулей.
Предлагаемое изобретение направлено на решение следующей технической задачи
- обеспечение точности пространственного ориентирования (достаточно точного определения места, на которое наведены оптические каналы системы).
Для этого в способе оптико-электронного наблюдения охраняемой территории, заключающемся в постоянном осуществлении видеонаблюдения территории с помощью моторизированных телевизионной камеры и тепловизора, передаче видеоинформации в автоматизированное рабочее место оператора (АРМ оператора) с отображением на экране монитора; считывании текущих значений параметров трансфокации при наведении телевизионной камеры на заданный участок охраняемой территории, автоматической установке тепловизора на основе текущих значений параметров трансфокации в положение, обеспечивающее приведение к одному масштабу выводимых в реальном времени на мониторе АРМ оператора двух видеоизображений, в отличие от прототипа, до начала рабочего режима наблюдения производят эталонную предварительную запись на телевизионную камеру изображений контролируемой территории в благоприятных визуальных условиях с различными параметрами направления и трансфокации - α - углом наклона плоскости механизма поворота (опорно-поворотной платформы (ОПП)), β - азимутом (0° ≤ β ≤ 360°), γ - углом зрения по горизонтали телевизионной камеры (ТВ) и δ - углом зрения по горизонтали тепловизионной камеры (ТП), со считыванием и программной привязкой текущих значений всех этих параметров к предварительной записи изображений, передают данные изображения с параметрами направления и трансфокации в автоматизированное рабочее место оператора, где их сохраняют; во время рабочего режима наблюдения при возникновении недостаточного уровня показаний получаемого изображения (ограниченной видимости и(или) незначительного теплового контраста) вместо изображения телевизионной камеры на экран монитора оператора выводят соответствующее по параметрам направления и трансфокации сохраненное эталонное изображение наблюдаемой территории.
Благодаря предварительной эталонной по качеству записи изображений с ТВ, при возникновении сложных погодных условий - ограниченной видимости и(или) незначительного теплового контраста оператор может сориентироваться в каком конкретно месте контролируемой территории происходит событие (проникновение, пожар, перемещение и т.п), что позволяет ему на основе понимания расположения предмета принимать правильные решения.
Предлагаемый способ улучшенного пространственного ориентирования на основе предзаписи изображений с ТВ может использоваться для реализации оптических систем наблюдения (ОСН) с различными комбинациями оптическо-электронных каналов с различными спектральными диапазонами, объединенных на едином конструктиве ОПП. Способ может быть использован для охраны различных территориально-распределенных объектов - границы государства, периметров объектов топливо-энергетического комплекса, военных полигонов и т.д., где требуется круглосуточное всепогодное наблюдение. Предлагаемое способ может дополнять систему ориентирования ОСН по к электронной карте местности по координатам места установки, по углам видимости объективов и/или азимуту угла наклона опорно-поворотной платформы. Способ улучшенного пространственного ориентирования оператора может применяться, как в случае использования таких электронных карт, так и самостоятельно.
Сущность способа улучшенного пространственного ориентирования оператора ОСН, пример компоновки соответствующей ОСН и сравнительные результаты ее работы показаны на фиг. 1-5.
На фиг. 1 показана структурная схема ОСН, реализованной по предлагаемому способу улучшенного пространственного ориентирования оператора ОСН (построенная по примеру схемы прототипа);
На фиг. 2 и фиг. 3 показаны примеры ТВ и ТП изображений в режиме пространственного ориентирования по предзаписи ТВ с единым масштабом изображений ТВ и ТП модулей при разных углах раскрытия объективов на примере одного наблюдаемого объекта;
На фиг. 4 и фиг. 5 показаны примеры изображений в режиме пространственного ориентирования по предзаписи ТВ с различным масштабом изображений ТВ и ТП при разных углах зрения (положениях трансфокатора) на примере одного наблюдаемого объекта.
На фиг. 1 обозначены:
1 - телевизионная камера с объективом-трансфокатором (ТВ);
2 - тепловизионный модуль с объективом-трансфокатором (ТП);
3 - канал оптико-электронного наблюдения N+2, где N=1, 2, 3…;
4 - опорно-поворотная платформа (ОПП);
5 - блок управления и связи ОСН;
6 - линия питания и связи;
7 - компьютер АРМ оператора;
8 - монитор АРМ оператора;
9 - пульт управления АРМ оператора.
На фиг. 1 изображена структурная схема ОСН реализованная по предлагаемому способу улучшенного пространственного ориентирования оператора (построенная по примеру схемы прототипа), ОСН состоит из устройств ТВ 1 и ТП 2, которые находятся на одной ОПП 4 в единой конструкции корпуса с возможными другими дополнительными каналами наблюдения 3, соединенных электрически между собой через блок управления и связи 5. Блок управления и связи 5 по линии дуплексной связи обеспечивает возможность передачи видео-информации и сигналов управления к компьютеру АРМ оператора 7. АРМ оператора состоит из компьютера 7, монитора 8 и пульта управления АРМ оператора 9.
На компьютере АРМ оператора 7 происходит обработка и хранение поступающей информации (команд управления, параметрических показателей компонентов ОСН, изображений) от ОСН через специальное программное обеспечение (СПО). СПО включает в себя программный модуль управления ОСН и блок предзаписи эталонных изображений. Блок предзаписи изображений выполняет функции хранения, записи и воспроизведения эталонных изображений по команде оператора. Оператор с АРМ может управлять ОСН в ручном режиме используется пульт управления 9, который подключается к компьютеру 7 и снабжен клавиатурой, мышкой и манипулятором типа «джойстик». В обычном режиме (по примеру прототипа) оператор наблюдает видеоизображения с ТВ 1 и ТП 2 на экране монитора 8 в режиме реально времени и, используя клавиатуру и манипулятор пульта оператора 9, изменяет параметры наклона «горизонтальной» оси ОПП 4 относительно земной поверхности и углом зрения ТВ 1 и ТП 2.
На фиг. 2 приведены примеры изображений с ОСН в режиме пространственного ориентирования с подключенной эталонной записью изображения с ТВ 1 в едином масштабе с живым изображением с ТП 2. При этом, примеры изображений вверху и внизу приведены с ОСН при разных углах раскрытия объективов ТВ 1 и ТП 2 на примере наблюдаемого объекта с контролируемой территории. На левом верхнем изображении приведена наблюдаемая цель в виде плав средства на фоне акватории по каналу ТП с углом зрения 8°, а на правом верхнем эталонная предзапись участка акватории по каналу ТВ 1 с углом зрения 8°. На левом нижнем изображении приведена наблюдаемая цель в виде плав средства на фоне акватории по каналу ТП 2 с углом зрения 20°, а на правом нижнем эталонная предзапись участка акватории по каналу ТВ 1 с углом зрения 20°. Так по эталонной предварительной записи можно установить, что плав средство находится напротив залива.
На фиг. 3 приведены примеры изображений с ОСН в режиме пространственного ориентирования с подключенной эталонной записью изображения с ТВ 1 в едином масштабе с живым изображением с ТП 2. При этом, примеры изображений вверху и внизу приведены с ОСН при разных углах раскрытия объективов ТВ 1 и ТП 2 на примере наблюдаемого объекта с контролируемой территории. На левом верхнем изображении приведена наблюдаемая цель в виде транспортного средства на фоне строения в режиме отображения теплый-черный по каналу ТП 2 с углом зрения 4°, а на правом верхнем эталонная предзапись участка местности со строением по каналу ТВ 1 с углом зрения 4°. На левом нижнем изображении приведена наблюдаемая цель в виде транспортного средства на фоне строения в режиме отображения теплый-белый по каналу по каналу ТП 2 с углом зрения 4°, а на правом нижнем эталонная предзапись участка местности со строением по каналу ТВ 1 с углом зрения 4°. Так по эталонной предварительной записи можно установить, что транспортное средство находится рядом с конкретным строением.
На фиг. 4 приведены примеры изображений с ОСН в режиме пространственного ориентирования с подключенной эталонной записью изображения с ТВ 1 с различным масштабом отображения, по сравнению с живым изображением с ТП 2. При этом, примеры изображений вверху и внизу приведены с ОСН при разных углах раскрытия объективов ТВ 1 и ТП 2 на примере наблюдаемого объекта с контролируемой территории. На левом верхнем изображении приведена наблюдаемая цель в виде плав средства на фоне акватории по каналу ТП 2 с углом зрения 3°, а на правом верхнем эталонная предзапись участка акватории по каналу ТВ 1 с углом зрения 8°. На левом нижнем изображении приведена наблюдаемая цель в виде плав средства на фоне акватории по каналу по каналу ТП 2 с углом зрения 8°, а на правом нижнем эталонная предзапись участка акватории по каналу ТВ 1 с углом зрения 16°.
На фиг. 5 приведены примеры изображений с ОСН в режиме пространственного ориентирования с подключенной эталонной записью изображения с ТВ 1 с различным масштабом отображения, по сравнению с живым изображением с ТП 2. При этом, примеры изображений вверху и внизу приведены с ОСН при разных углах раскрытия объективов ТВ 1 и ТП 2 на примере наблюдаемого объекта с контролируемой территории. На левом верхнем изображении приведена наблюдаемая цель в виде транспортного средства на фоне строения по каналу ТП 2 с углом зрения 4°, а на правом верхнем эталонная предзапись участка местности со строением по каналу ТВ 1 с углом зрения 8°. На левом нижнем изображении приведена наблюдаемая цель в виде транспортного средства на фоне строения по каналу по каналу ТП 2 с углом зрения 4°, а на правом нижнем эталонная предзапись участка местности со строением по каналу ТВ 1 с углом зрения 20°.
Способ оптико-электронного наблюдения охраняемой территории реализуется следующим образом. Оператор АРМ в начальные дни работы с ОСН или при смене климатического сезона, в светлое время суток в условиях и период хорошей оптической видимости, запускает режим сканирования и записи окружающей обстановки ОСН через манипулятор 9, подключенный к компьютеру 7. ОСН в режиме сканирования передает изображение окружающей обстановки и данные об угле α наклона ОПП 4, азимуте β и углах раскрытия γ объективов ТВ 1 и δ ТП 2 по линии связи 6 на АРМ, где СПО по заранее заданному алгоритму осуществляет архивирование изображений с ТВ 1 с привязкой (маркировкой) каждого «опорного» кадра к углу α наклона ОПУ 4, азимуту β и углам раскрытия γ объективов ТВ 1 и 5 ТП 2.
У оператора АРМ после окончания предзаписи и создания «маркированной» базы данных эталонных изображений окружающей обстановки, появляется возможность в любой момент времени вместо или параллельно онлайн (живому) изображению с ТВ 1, выводить на экран монитора 8 АРМ соответствующие «маркированные» кадры. Это, в свою очередь, позволяет оператору наблюдать окружающую обстановку в случаях ограниченной видимости или низкого теплового контраста наблюдаемых целей и окружающей среды (подстилающей поверхности), примеры такого отображения показаны на фиг. 2-3.
В отличие от прототипа, предлагаемый способ предусматривает и возможность оператору АРМ эксплуатировать ОСН и без приведения к единому масштабу изображений ТВ 1 и ТП 2. В случае выбора такого режима, подобная функция позволяет оператору ОСН ориентироваться на окружающей местности без приведения в реальном времени изображений от TB 1 и ТП 2, и записанного эталонного изображения от ТВ 1 к единому масштабу, примеры такого отображения показаны на фиг. 4-5.
Также возможна реализация способа и на мультиспектральной ОСН с дополнительными каналами оптико-электронного наблюдения 3 (например SWIR коротковолнового ИК-диапазона), когда во время рабочего режима наблюдения оператор АРМ при возникновении недостаточного уровня показаний получаемых с ТВ 1 (как наиболее информативного для человеческого глаза) канала ОСН на экран монитора вызывает соответствующее по параметрам направления и трансфокации сохраненное эталонное изображение наблюдаемой территории с ТВ 1, при этом, информация с ТП 2 канала и дополнительного каналама оптико-электронного наблюдения 3 продолжает поступать в онлайн (живом) режиме.
Применение способа оптико-электронного наблюдения охраняемой территории позволяет:
- повысить надежность обнаружения и распознавания объектов при наблюдении их в реальном масштабе времени в случае пониженного температурного контраста в темное время суток или плохой оптической видимости (вызванной, например осадками в виде дождя, снега или тумана);
- ускорить процесс пространственного ориентирования, что, в свою очередь, позволяет достаточно точно и своевременно определить место, на которое нацелены оптические каналы ОСН;
- снизить вероятность потери наблюдаемой цели в темное время суток или плохой оптической видимости;
- повысить эффективность работы оператора ОСН.