ОХРАННАЯ ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА "ДЕНЬ-НОЧЬ"
"DAY-NIGHT" TELEVISION SECURITY SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в системах контроля, наблюдения и обнаружения подвижных объектов, а также в других устройствах телевизионной автоматики, которые выполнены с использованием фотоприемников в виде матриц приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать охранную телевизионную систему «день-ночь» [1], содержащую на передающей стороне телевизионную камеру, состоящую из последовательно расположенных оптического блока и двух датчиков телевизионных сигналов (ДТС), выполненных на основе матриц ПЗС, причем в состав телевизионной камеры также входит детектор движения, блок коммутации, выход которого является выходом «видео» телевизионной камеры, последовательно соединенные селектор синхроимпульсов и формирователь импульсов (ФИ), последовательно соединенные первый пиковый детектор, блок выборки-хранения и компаратор, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению, а также инвертор, элемент «И», второй пиковый детектор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), формирователь длительности накопления, одновибратор, элемент «ИЛИ», первый и второй RS-триггеры, при этом управляющий вход блока выборки-хранения подключен к первому выходу ФИ, второй выход которого подключен к управляющему входу первого пикового детектора, а на приемной стороне - формирователь сигнала тревоги и компьютер оператора, а между приборами передающей и приемной стороны - линию связи из пятижильного кабеля, при этом выход «видео» первого ДТС, являющегося датчиком цветного сигнала изображения, подключен соответственно к входу селектора синхроимпульсов, к информационному входу первого пикового детектора и к первому информационному входу блока коммутации, а выход «видео» второго ДТС, являющегося датчиком черно-белого сигнала изображения, подключен соответственно к второму информационному входу блока коммутации, к входу детектора движения и к информационному входу второго пикового детектора, управляющий вход которого объединен с входом одновибратора и входами «S» RS-триггеров и подключен к выходу инвертора, который является выходом «сигнала регистрации движения» телевизионной камеры, при этом выход детектора движения подключен соответственно к входу инвертора и к первому входу элемента «И», второй вход которого подключен к выходу компаратора, причем выход второго пикового детектора подключен к информационному входу АЦП, выход которого подключен к установочному входу формирователя длительности накопления, разрешающий вход которого подключен к выходу одновибратора; управляющий вход формирователя длительности накопления подключен к инверсному выходу первого RS-триггера, тактовый вход формирователя длительности накопления объединен с тактовым входом АЦП и подключен к выходу «сигнал строчных синхроимпульсов» второго ДТС, а выход формирователя длительности накопления подключен к входу «R» первого RS-триггера и соответственно к входу «сигнал накопления кадра» второго ДТС, вход «сигнал запроса изображения» которого подключен к входу «R» второго RS-триггера, инверсный выход которого подключен к первому входу элемента «ИЛИ», второй вход которого подключен к выходу одновибратора, а выход элемента «ИЛИ» - к входу «выбор режима работы» второго ДТС, выход которого «сигнал готовности изображения» подключен к управляющему входу детектора движения, при этом выходы второго ДТС, а именно: выход «сигнал готовности изображения», выход «сигнал квитирования изображения», которые являются и соответствующими выходами телевизионной камеры, подключены через жилы кабеля линии связи к входам этих сигналов на компьютере, выход «сигнал запроса изображения» которого подключен через жилу кабеля линии связи к соответствующему входу телевизионной камеры и к входу сигнала этого наименования для второго ДТС; выход «видео» телевизионной камеры транслируется по жиле кабеля линии связи на вход «видео» компьютера, а «сигнал регистрации движения» с выхода инвертора телевизионной камеры по жиле кабеля линии связи - на вход формирователя сигнала тревоги.
Оптический блок прототипа содержит в своем составе светоделитель, корректирующий светофильтр, а также первый и второй объективы с различными фокусными расстояниями, при этом светоделитель выполнен в виде призмы с двумя светоделительными гранями, расположенными под углом 30°, при этом первая светоделительная грань призмы является входом светоделителя, вторая светоделительная грань - первым выходом светоделителя, третья грань призмы, расположенная под углом 60° по отношению к первой ее грани, - вторым выходом светоделителя, а корректирующий светофильтр выполнен в виде призмы с одной спектроделительной гранью, которая является входом корректирующего светофильтра и расположена под углом 30° по отношению к ее второй грани, которая является выходом корректирующего светофильтра, при этом первый выход светоделителя оптически связан с входом корректирующего светофильтра, причем вторая светоделительная грань призмы светоделителя установлена вплотную к спектроделительной грани призмы корректирующего светофильтра, выход которого оптически связан с первым объективом, а второй выход светоделителя оптически связан со вторым объективом, при этом вход светоделителя является входом оптического блока, выход первого объектива - первым выходом оптического блока, выход второго объектива - вторым выходом оптического блока, а отношение фокусного расстояния второго объектива к фокусному расстоянию первого объектива определяет кратность масштабирования оптического блока.
Согласно техническому решению прототипа телевизионная камера может работать в режиме «TV», обеспечивая по выходу «видео» в зависимости от времени суток формирование периодического цветного или черно-белого сигнала изображения в соответствии с телевизионным стандартом. Кроме этого, телевизионная камера может быть переведена в режим «MONOSHOT» - формирования однократного видеосигнала длительностью в один полукадр, особенностью которого является монохромный характер и увеличение масштаба снимка изображения. Видеосигнал снимка, обладающий повышенной информативностью, записывается в память компьютера и может быть в любое время предоставлен в качестве доказательства произошедшего нарушения.
Недостаток прототипа - ограниченные возможности телевизионной системы, определяемые отсутствием возможности для оператора панорамного контроля ситуации в зоне охраняемого объекта.
Задача изобретения - реализация панорамного контроля ситуации в зоне охраняемого объекта путем формирования изображения, обеспечивающего одновременный круговой обзор в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360° по азимуту и десятки градусов по месту.
Поставленная задача в заявляемой охранной телевизионной системе «день-ночь» решается тем, что в устройство прототипа [1], содержащее на передающей стороне телевизионную камеру, состоящую из последовательно расположенных оптического блока и двух ДТС, причем оптический блок содержит светоделитель и корректирующий светофильтр, при этом светоделитель выполнен в виде призмы с двумя светоделительными гранями, расположенными под углом 30°, при этом первая светоделительная грань призмы является входом светоделителя, вторая светоделительная грань - первым выходом светоделителя, третья грань призмы, расположенная под углом 60° по отношению к первой ее грани, - вторым выходом светоделителя, а корректирующий светофильтр выполнен в виде призмы с одной спектроделительной гранью, которая является входом корректирующего светофильтра и расположена под углом 30° по отношению к ее второй грани, которая является выходом корректирующего светофильтра, при этом первый выход светоделителя оптически связан с входом корректирующего светофильтра, причем вторая светоделительная грань призмы светоделителя установлена вплотную к спектроделительной грани призмы корректирующего светофильтра, выход которого является первым выходом оптического блока, второй выход светоделителя - вторым выходом оптического блока, а вход светоделителя - входом оптического блока, при этом ДТС телевизионной камеры выполнены на основе матриц ПЗС, а телевизионная камера содержит также детектор движения, блок коммутации, выход которого является выходом «видео» телевизионной камеры, последовательно соединенные селектор синхроимпульсов и формирователь импульсов (ФИ), последовательно соединенные первый пиковый детектор, блок выборки-хранения и компаратор, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению, инвертор, элемент «И», второй пиковый детектор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), формирователь длительности накопления, одновибратор, элемент «ИЛИ», первый и второй RS-триггеры, при этом управляющий вход блока выборки-хранения подключен к первому выходу ФИ, второй выход которого подключен к управляющему входу первого пикового детектора, а на приемной стороне - формирователь сигнала тревоги и компьютер оператора, а между приборами передающей и приемной стороны линию связи из пятижильного кабеля, при этом выход «видео» первого ДТС, являющегося датчиком цветного сигнала изображения, подключен соответственно к входу селектора синхроимпульсов, к информационному входу первого пикового детектора и к первому информационному входу блока коммутации, а выход «видео» второго ДТС, являющегося датчиком черно-белого сигнала изображения, подключен соответственно ко второму информационному входу блока коммутации, к входу детектора движения и к информационному входу второго пикового детектора, управляющий вход которого объединен с входом одновибратора и входами «S» RS-триггеров и подключен к выходу инвертора, который является выходом «сигнал регистрации движения» телевизионной камеры, при этом выход детектора движения подключен соответственно к входу инвертора и к первому входу элемента «И», второй вход которого подключен к выходу компаратора, причем выход второго пикового детектора подключен к информационному входу АЦП, выход которого подключен к установочному входу формирователя длительности накопления, разрешающий вход которого подключен к выходу одновибратора, управляющий вход формирователя длительности накопления подключен к инверсному выходу первого RS-триггера, тактовый вход формирователя длительности накопления объединен с тактовым входом АЦП и подключен к выходу «сигнал строчных синхроимпульсов» второго ДТС, а выход формирователя длительности накопления подключен к входу «R» первого RS-триггера и соответственно к входу «сигнал накопления кадра» второго ДТС, вход «сигнал запроса изображения» которого подключен к входу «R» второго RS-триггера, инверсный выход которого подключен к первому входу элемента «ИЛИ», второй вход которого подключен к выходу одновибратора, а выход элемента «ИЛИ» - к входу «выбор режима работы» второго ДТС, выход которого «сигнал готовности изображения» подключен к управляющему входу детектора движения, при этом выходы второго ДТС, а именно: выход «сигнал готовности изображения», выход «сигнал квитирования изображения», которые являются и соответствующими выходами телевизионной камеры, подключены через жилы кабеля линии связи к входам этих сигналов на компьютере оператора, выход «сигнал запроса изображения» которого подключен через жилу кабеля линии связи к соответствующему входу телевизионной камеры и к входу сигнала этого наименования для второго ДТС, выход «видео» телевизионной камеры транслируется по жиле кабеля линии связи на вход «видео» компьютера оператора, а «сигнал регистрации движения» с выхода инвертора телевизионной камеры - на вход формирователя сигнала тревоги, в состав телевизионной камеры прототипа введен панорамный объектив, расположенный перед оптическим блоком, а в разъем расширения на материнской плате компьютера прототипа установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры, 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.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая охранная телевизионная система отличается наличием панорамного объектива в составе телевизионной камеры, а также платы видео в составе компьютера оператора, которая выполняет преобразование видеосигнала «кольцевого» кадра изображения, сформированного в телевизионной камере, в последовательность привычных для глаз оператора «прямоугольных» кадров охраняемой зоны.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 приведена структурная схема заявляемой охранной телевизионной системы; на фиг.2 - возможная структурная схема для организации сетевого компьютерного решения с использованием заявляемого устройства; на фиг.3 - оптическая схема оптического блока в составе телевизионной камеры; на фиг.4…6 - временные диаграммы, поясняющие работу телевизионной камеры; на фиг.7, по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг.8 изображено условно кольцевое изображение, воспринимаемое первым и вторым ДТС телевизионной камеры; на фиг.9 схематически представлено панорамное изображение этой кольцевой области, предлагаемое оператору компьютера, в виде последовательности из 6 «прямоугольных» кадров.
п
1
Заявляемая охранная телевизионная система «день-ночь», см. фиг.1, содержит на передающей стороне телевизионную камеру в позиции 1, состоящую из последовательно расположенных панорамного объектива 1-1, оптического блока 1-2 и двух датчиков телевизионного сигнала ДТС 1-3 и ДТС 1-4, причем в состав телевизионной камеры 1 также входит детектор 1-5 движения, блок 1-6 коммутации, выход которого является выходом «видео» (обозначен «LV») телевизионной камеры, последовательно соединенные селектор 1-7 синхроимпульсов и ФИ 1-9, последовательно соединенные первый пиковый детектор 1-8, блок 1-10 выборки-хранения и компаратор 1-11, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению U, инвертор 1-12, элемент «И» 1-13, второй пиковый детектор 1-14, АЦП 1-15, формирователь 1-16 длительности накопления, одновибратор 1-17, элемент «ИЛИ» 1-18, первый RS-триггер 1-19 и второй RS-триггер 1-20, при этом управляющий вход блока 1-10 выборки-хранения подключен к первому выходу ФИ 1-9, второй выход которого подключен к управляющему входу первого пикового детектора 1-8; линию связи из пятижильного кабеля в позиции 2, а на приемной стороне - формирователь 3 сигнала тревоги и компьютер оператора в позиции 4, при этом в телевизионной камере выход «видео» (обозначен «LV1») ДТС 1-3, являющегося датчиком цветного сигнала изображения, подключен соответственно к входу селектора 1-7 синхроимпульсов, к информационному входу пикового детектора 1-8 и к первому информационному входу блока 1-6 коммутации, а выход «видео» (обозначен «LV2») ДТС 1-4, являющегося датчиком черно-белого сигнала изображения, подключен соответственно к второму информационному входу блока 1-6 коммутации, к входу детектора 1-5 движения и к информационному входу пикового детектора 1-14, управляющий вход которого объединен с входом одновибратора 1-17 и входами «S» RS-триггеров 1-19 и 1-20 и подключен к выходу инвертора 1-12, который является выходом «сигнал регистрации движения» телевизионной камеры (обозначен «RM»), при этом выход детектора 1-5 движения подключен соответственно к входу инвертора 1-12 и к первому входу элемента «И» 1-13, второй вход которого подключен к выходу компаратора 1-11, причем выход пикового детектора 1-14 подключен к информационному входу АЦП 1-15, выход которого подключен к установочному входу формирователя 1-16, разрешающий вход которого подключен к выходу одновибратора 1-17, управляющий вход формирователя 1-16 подключен к инверсному выходу RS-триггера 1-19, тактовый вход формирователя 1-16 объединен с тактовым входом АЦП 1-15 и подключен к выходу «сигнал строчных синхроимпульсов» ДТС 1-4 (обозначен «HD out*) (Здесь и далее знак «*» означает, что данные логические сигналы являются активными на низком уровне), а выход формирователя 1-16 подключен к входу «R» RS-триггера 1-19 и соответственно к входу «сигнал накопления кадра» ДТС 1-4 (обозначен «F1*»), вход «сигнал запроса изображения» (обозначен «IRQ*») которого подключен к входу «R» RS-триггера 1-20, инверсный выход которого подключен к первому входу элемента «ИЛИ» 1-18, второй вход которого подключен к выходу одновибратора 1-17, а выход элемента «ИЛИ» 1-18 - к входу «выбор режима работы» ДТС 1-4 (обозначен «MS*), выход которого «сигнал готовности изображения» (обозначен «IRDY*) подключен к управляющему входу детектора 1-5 движения, при этом выходы ДТС 1-4, а именно: выход «сигнал готовности изображения», выход «сигнал квитирования изображения» (обозначен «IACK»), которые являются и соответствующими выходами телевизионной камеры 1, подключены через жилы кабеля линии связи 2 к входам этих сигналов на компьютере 4 оператора, выход сигнала «IRQ » которого подключен через жилу кабеля линии связи 2 к соответствующему входу телевизионной камеры 1 и к входу сигнала этого наименования для ДТС 1-4; выход видеосигнала «LV» с телевизионной камеры транслируется по жиле кабеля линии связи 2 на вход «видео» компьютера 4 оператора а сигнал «RM» с выхода инвертора 1-12 телевизионной камеры 1 - на вход формирователя 3 сигнала тревоги.
Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора (кольцевого изображения). В качестве технического решения для панорамного объектива 1-1 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.7. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360° по азимуту и может достигать 75-80° по углу места.
Оптический блок 1-2 предназначен для того, чтобы распараллелить оптическое изображения с выхода панорамного объектива 1-1 на мишени каждого из двух ДТС.
Оптический блок 1-2 (см. фиг.3) содержит светоделитель 1-2-1 и корректирующий светофильтр 1-2-2, при этом светоделитель 1-2-1 выполнен в виде призмы с двумя светоделительными гранями, расположенными под углом 30°, при этом первая светоделительная грань призмы является входом светоделителя, вторая светоделительная грань - первым выходом светоделителя, третья грань призмы, расположенная под углом 60° по отношению к первой ее грани, - вторым выходом светоделителя, а корректирующий светофильтр 1-2-2 выполнен в виде призмы с одной спектроделительной гранью, которая является входом корректирующего светофильтра и расположена под углом 30° по отношению к ее второй грани, которая является выходом корректирующего светофильтра, при этом первый выход светоделителя 1-2-1 оптически связан с входом корректирующего светофильтра 1-2-2, причем вторая светоделительная грань призмы светоделителя 1-2-1 установлена вплотную к спектроделительной грани призмы корректирующего светофильтра 1-2-2, выход которого является первым выходом оптического блока, второй выход светоделителя 1-2-1 - вторым выходом оптического блока, а вход светоделителя 1-2-1 - входом оптического блока.
В перспективе может быть разработано и специализированное техническое решение телевизионного панорамного объектива с интегрированным в его конструкцию светоделителем и корректирующим светофильтром, т.е. блоки 1-1 и 1-2 выполнены в одном оптическом приборе.
Как и в прототипе, первый ДТС 1-3 и второй ДТС 1-4 выполнены на основе технологии матриц ПЗС, имеющих схемотехническую организацию «строчный перенос» или «строчно-кадровый перенос». При этом первый ДТС 1-3 в дневное время суток постоянно работает в режиме «TV», формируя на выходе периодический цветной композитный видеосигнал в соответствии с телевизионным стандартом. Второй ДТС 1-4 в вечернее и в ночное время при отсутствии нарушения в охраняемой зоне предлагает черно-белый видеосигнал тоже в режиме «TV». При регистрации нарушителя ДТС 1-4 автоматически переводится в режим «MONOSHOT», т.е. в режим формирования видеосигнала снимка длительностью в один стандартный полукадр, как это предложено в изобретении [3] и реализовано практически в изделии [4].
Детектор 1-5 движения, как и в прототипе, при появлении в поле зрения второго ДТС 1-4 движущихся объектов формирует сигнал RM - сигнал регистрации движения с низким активным уровнем.
Уровень логического «0» на выходе детектора 1-5 поддерживается и после прекращения изменений входного видеосигнала. Восстановление исходной «1» на выходе детектора 1-5 выполняется путем подачи на его управляющий вход команды «сброс тревоги» с выхода «IRDY» второго датчика ДТС 1-4. Детектор 1-5 движения может быть выполнен как в виде отдельного блока телевизионной камеры 1, так и в составе второго ДТС 1-4 (см., например, изобретение [5]).
Блок 1-6 коммутации, как и в прототипе, предназначен для формирования на выходе одного из двух входных видеосигналов. Присутствие логической «1» на управляющем входе блока 1-6 обеспечивает трансляцию на выход сигнала с первого информационного входа, а появление на этом входе логического «0» - трансляцию на выход сигнала со второго информационного входа.
Селектор 1-7 синхроимпульсов, первый пиковый детектор 1-8, ФИ 1-9, блок 1-10 выборки-хранения, компаратор 1-11, второй пиковый детектор 1-14 и АЦП 1-15 по исполнению ничем не отличаются от одноименных блоков прототипа. Отметим, что сигнал на выходе компаратора 1-11 имеет активный уровень низкого уровня.
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mi>U</mi><mo>/</mo><mover accent="true"><mi>D</mi><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Формирователь 1-16 длительности накопления может быть выполнен на основе многокаскадного объединения двоичных счетчиков, например, отечественных микросхем К561ИЕ11 (см. [6, с.238]). Установочный вход формирователя 1-16 эквивалентен входам предварительной записи-установки SO-S3 счетчика, разрешающий вход - входу разрешения этой операции SE, управляющий вход - входу переноса
, тактовый вход - входу такта С, а выход - выходу переноса
. Предполагается, что для выбранной микросхемы реверсивного счетчика на ее входе
счетчика установлена логическая «1», т.е. счет осуществляется в направлении «Код больше». Отметим, что управляющий вход и выход формирователя 1-16 имеют активное напряжение низкого уровня.
Одновибратор 1-17 может быть выполнен с использованием ждущего мультивибратора микросхемы К564АГ1(см. [6, с.282]).
Каждый из блоков 1-19 и 1-20 в отдельности является логическим триггерным устройством RS-типа с высоким активным уровнем напряжения на входах управления.
Инвертор 1-12, элемент «И» 1-13 и элемент «ИЛИ» 1-18 являются логическими устройствами однозначного понятия.
В качестве блока 4 может быть использован персональный компьютер, в котором, как и в прототипе, установлен процессор Pentium III (или лучше) и операционная система Windows XP/SE/ME, но могут быть, конечно, заложены и более современные программные версии Windows - 7 или 8.
Согласно заявляемому решению в компьютер вводится и дополнительный аппаратный продукт - плата видео.
Плата видео, установленная в свободный слот на материнской плате компьютера, выполняет следующие функции:
- управление режимами работы телевизионной системы (как и в прототипе);
- аналого-цифровое преобразование «кольцевого» цветного или черно-белого видеосигнала, поступающего с выхода «видео» телевизионной камеры;
- ввод «кольцевого» цифрового цветного или соответственно монохромного видеосигнала в оперативную память;
- преобразование выходного «кольцевого» кадра черно-белого изображения или «кольцевого» кадра цветного изображения в соответствующие «прямоугольные» кадры путем считывания видеосигнала из оперативной памяти с выполнением коррекции геометрических искажений соответствующего участка панорамного изображения.
Все указанные функции реализуются программным путем. Отметим, что две последние операции осуществляются точно так же, как это было предложено в изобретении [7].
Охранная телевизионная система «день-ночь» (см. фиг.1) работает следующим образом. Телевизионная камера 1 устанавливается в фиксированное положение, например при помощи фотоштатива (на фиг.1 он не показан).
Выделим в работе охранной телевизионной системы три режима:
- «день» (режим 1);
- «ночь» (режим 2);
- «тревога» (режим 3, который может сопутствовать как режиму 1, так и режиму 2).
Независимо от режима работы системы «кольцевое» оптическое изображение наблюдаемой сцены, формируемое панорамным объективом 1-1, по оптическому пути: первая светоделительная грань призмы светоделителя 1-2-1, вторая светоделительная грань призмы светоделителя 1-2-1, спектроделительная грань призмы корректирующего светофильтра 1-2-2, вторая грань призмы корректирующего светофильтра 1-2-2 проецируется в видимом спектральном диапазоне на фотомишень первого ДТС 1-3. Одновременно оптический кадр панорамного объектива 1-1 по другому оптическому пути: первая светоделительная грань призмы светоделителя 1-2-1, вторая светоделительная грань призмы светоделителя 1-2-1, третья грань призмы светоделителя 1-2-1 во всем спектральном диапазоне (видимом и инфракрасном) проецируется на фотомишень второго ДТС 1-4. Следует отметить, что инфракрасная область спектра последнего оптического изображения дополнительно усиливается за счет светового потока, отраженного спектроделительной гранью призмы светофильтра 1-2-2 в направлении третьей грани призмы светоделителя 1-2-1.
При включении питания оба датчика телевизионного сигнала ДТС 1-3 и ДТС 1-4 по умолчанию начинают работать в режиме «TV».
В результате фотоэлектрических преобразований на выходе «LV1» ДТС 1-3 формируется композитный цветной видеосигнал, а на выходе «LV2» ДТС 1-4 - композитный черно-белый видеосигнал сигнал в том же масштабе.
По монохромному видеосигналу с выхода «LV2» детектор 1-5 движения осуществляет слежение за обстановкой, выполняя межкадровое сравнение соседних кадров. В дальнейшем изложении воспользуемся эпюрами, приведенными на фиг.4-6.
к
Селектор 1-7 выделяет из композитного цветного видеосигнала по выходу «LV1» (см. фиг.4а) строчные и кадровые синхроимпульсы (см. фиг.4б), а ФИ 1-9 вырабатывает в пределах каждого кадрового гасящего импульса следующие с периодом T импульсы записи и сброса (см. соответственно фиг.4в и фиг.4г).
к
к
п
Пиковый детектор 1-8 с периодом Т измеряет уровень видеосигнала с ДТС 1-3 (см. фиг.4д), блок 1-10 выборки-хранения запоминает его на время Т (см. фиг.4е), а компаратор 1-11 оценивает выходное напряжение блока 1-10, сравнивая его с пороговым напряжением U, (см. фиг.4ж).
В режиме «TV» на входе «выбор режима работы» («MS*») другого датчика - ДТС 1-4 устанавливается высокий уровень (логическая «1»). Отметим, что высокий логический уровень поддерживается на входе «сигнал накопления кадра» («FI*»), на входе «сигнал запроса изображения» («IRQ) и на выходе «сигнал готовности изображения» («IRDY*»). Одновременно низкий логический уровень присутствует на выходе ДТС 1-4 - «сигнал квитирования изображения» («IACK») и на выходе инвертора 1-12 - «сигнал регистрации движения» («RM»).
Первый RS-триггер 1-19 и второй RS-триггер 1-20 находятся в состоянии «0». Поэтому на инверсном выходе RS-триггера 1-19, поддерживается логическая «1», а формирователь 1-16 заблокирован по управляющему входу высоким логическим уровнем и не считает строчные синхроимпульсы HD out*. На выходе «видео» («LV2») датчика ДТС 1-4, формируется композитный черно-белый видеосигнал по телевизионному стандарту.
По монохромному видеосигналу с выхода «LV2» детектор 1-5 движения осуществляет слежение за обстановкой, выполняя межкадровое сравнение соседних кадров.
Предположим, что телевизионная система работает в дневное время суток, т.е. в режиме «день» (в режиме «1»), а подвижные объекты в зоне контроля отсутствуют. Тогда компаратор 1-11 не изменяет своего состояния по выходу, поддерживая состояние логической «1» (см. диаграмму на фиг.4ж), и сохраняется высокий уровень напряжения на выходе детектора 1-5 движения. Поэтому на выходе элемента «И» 1-13 тоже присутствует логическая «1», а на выход блока 1-6 коммутации, а, следовательно, и на выход «LV» телевизионной камеры передается цветной композитный видеосигнал с ДТС 1-3.
Цветной композитный видеосигнал с выхода «LV» транслируется по линии связи 2 на приемную сторону телевизионной системы, а далее поступает в компьютер 4 на плату видео.
Приходящий на плату видео «кольцевой» видеосигнал цветного изображения оцифровывается, а затем вводится (записывается) в блоки оперативной памяти компьютера. Далее реализуется преобразование выходного «кольцевого» кадра цветного изображения в соответствующие «прямоугольные» кадры путем считывания видеосигнала из оперативной памяти.
г
Предположим, что при проектировании охранной телевизионной системы разработчиком заложено, что текущий угол поля зрения (γ) предъявляемого оператору панорамного изображения составляет 60° по горизонтали. Тогда по соотношению (1) «кольцевой» кадр должен соответствовать шести «прямоугольным» кадрам (n=6). Это означает, что имеем 6 условных областей в пространстве «кольцевого» кадра (см. фиг.8).
Следовательно, каждый «кольцевой» кадр записи изображения конвертируется в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде текущей последовательности (см. фиг.9) оператору 4 компьютера, ведущему мониторинг обстановки на охраняемой территории.
0
Пусть в момент t очередной результат межкадрового сравнения в детекторе 1-5 движения фиксирует появление нарушителя. Тогда на его выходе («RM*») появляется низкий уровень напряжения, а на выходе инвертора 1-12 - положительный перепад напряжения (см. фиг.5а), который по линии связи 2 транслируется на вход формирователя 3. В результате на приемной стороне телевизионной системы обеспечивается звуковая и световая сигнализация тревоги.
Телевизионная система переходит в режим «1+3».
Одновременно в самой телевизионной камере 1 положительный перепад напряжения на выходе инвертора 1-12 переводит RS-триггеры 1-19 и 1-20 в состояние «1», выполняет сброс пикового детектора 1-14 и производит запуск одновибратора 1-17.
0
1
Одновибратор 1-17 формирует на выходе импульсный сигнал (см. фиг.5б), длительность которого t…t является интервалом разрешения операции предварительной записи-установки числа в счетчики формирователя 1-16.
0
1
В течение интервала t…t пиковый детектор 1-14 измеряет текущее значение видеосигнала. Постоянное напряжение с выхода пикового детектора 1-14 преобразуется далее в АЦП 1-15 из аналоговой формы в цифровую и подается на установочные входы счетчиков формирователя 1-16.
1
К моменту t (см. фиг.5б) запись-установка этого числа в счетчики формирователя 1-16 должна закончиться.
0
Необходимо отметить также, что, начиная с момента t, блок 1-6 коммутации уже передает на выход видеосигнал «LV2» от датчика ДТС 1-4.
1
Начиная же с момента t, на выходе элемента «ИЛИ» 1-18, а, следовательно, и на входе «MS*» датчика ДС 1-4 устанавливается уровень логического «0».
1
0
Поэтому телевизионная камера 1 с момента t переходит в из режима «TV» в режим «MONOSHOT». Дополнительно отметим, что с момента t на управляющем входе формирователя 1-16 присутствует низкий логический уровень, т.е. блокировка по этому входу снята.
1
Счетчики формирователя 1-16 подсчитывают приращение данных, а на его выходе, начиная с момента t, устанавливается низкий логический уровень (см. фиг.5г или фиг.5е). Поэтому датчик ДТС 1-4 переходит в состояние накопления информационных зарядов в зависимости от освещенности зоны контроля во всем спектральном диапазоне. Монохромный сигнал изображения матрицы ПЗС имеет линейную шкалу уровня в зависимости от освещенности (γ=1), и предполагается, что по этому выходу «видео» исключено воздействие автоматической регулировки усиления (АРУ).
Отметим, что эти признаки являются совершенно необходимым условием для предлагаемого решения телевизионной системы.
Длительность накопления в датчике ДТС 1-4 устанавливается оптимальной по критерию максимума отношения сигнал/шум для видеосигнала выполняемого снимка изображения, что достигается предварительной калибровкой телевизионной камеры (см. ниже).
Если нарушение в охраняемой зоне происходит ночью, то телевизионная система в режиме «2+3» работает аналогично, отличаясь только тем, что длительность накопления в датчике ДТС 1-4 в ночное время суток будет заведомо больше, чем в дневное время.
2
После окончания накопления зарядов в датчике ДС 1-4 (см. момент t на фиг.6а) производится сброс счетчиков формирователя 1-15 и установка RS-триггера 1-19 в состояние «0», а, следовательно, возобновление блокировки формирователя 1-16 по управляющему входу.
В счетчиках формирователя 1-16 устанавливается нулевое число, а датчик ДТС 1-4 переходит в состояние «ненакопления», т.к. на его входе «FI*», начиная с этого момента, формируется высокий логический уровень.
Далее на фотозатвор матрицы ПЗС ДТС 1-4 кратковременно подается высокий уровень напряжения, разрешающий перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в вертикальных ПЗС-регистрах. Напомним, что вертикальные ПЗС-регистры фотомишени матрицы ПЗС с организацией «строчный перенос» нечувствительны к свету благодаря изолирующему маскированию, поэтому перенесенные фотозаряды накопленного кадра могут храниться там достаточно продолжительное время.
1
Если время переноса зарядов составляет величину τ, то после его завершения на выходе «IRDY*» датчика ДТС 1-4 будет сформирован одиночный импульс (см. фиг.6б) - сигнал готовности изображения.
2
Этот сигнал по линии связи 2 транслируется на приемную сторону телевизионной системы и поступает в компьютер 4. В компьютере с задержкой τ, установленной в блоке сопряжения интерфейса платы видео, вырабатывается выходной сигнал запроса изображения (см. фиг.6г), который по линии связи 2 поступает на вход «IRQ*» датчика ДТС 1-4 телевизионной камеры 1.
3
3
4
к
Далее, когда низкий уровень в сигнале запроса изображения совпадает с окончанием ближайшего строчного синхроимпульса (см. момент t, на фиг.6в), начинается считывание зарядового рельефа информационного кадра, которое продолжается в течение интервала t…t. В результате на выходе «видео» («LV2») датчика ДТС 1-4, а, следовательно, и на выходе «видео» («LV») телевизионной камеры 1 формируется видеосигнал одиночного кадра (см. фиг.6е). Отметим, что длительность этого сигнала, с учетом кадрового гасящего импульса, составляет T и соответствует периоду полукадров по телевизионному стандарту.
3
4
Параллельно с видеосигналом одиночного кадра на выходе «IACK» датчика ДТС 1-4 вырабатывается одиночный положительный импульс - сигнал квитирования (подтверждения) изображения (см. фиг.6д), длительность которого составляет интервал (t…t).
Далее сигналы «LV» и «IACK» транслируются по линии связи 2 на приемную сторону телевизионной системы, а там поступают на плату видео компьютера 4 оператора.
3
4
Приходящий сигнал «IACK» обеспечивает автоматический переход в работающей компьютерной программе в закладку «Снимок». Поэтому в интервале (t…t) выполняется запись «кольцевого» монохромного видеосигнала одиночного кадра («LV») в оперативную память компьютера. Далее аналогично выполняется преобразование одиночного «кольцевого» кадра в 6 «прямоугольных» кадров и их сохранение в папке компьютерной памяти.
5
Добавим к этому, что в телевизионной камере 1 в момент t (см. фиг.6г) низкий уровень в сигнале «IRQ*» заканчивается. Возникающий положительный перепад напряжения устанавливает RS-триггер 1-20 в состояние «0». В результате высокий логический уровень напряжения поддерживается на входе «MS*» датчика ДТС 1-4, а телевизионная камера 1 из режима «MONOSHOT»возвращается в режим «TV».
6
Отметим, что в момент t возникающий положительный перепад напряжения в сигнале «IRDY*» (см. фиг.6б) осуществляет сброс тревоги в детекторе 1-5 движение, восстанавливая уровень логической «1» на его выходе.
В результате телевизионная система переходит из режима работы «2+3» в режим «2».
Если затем в результате суточного перехода «ночь-день» освещенность на объекте увеличится, то заявляемая система автоматически вновь перейдет из режима «2» в режим «1».
Вернемся к вопросу реализации оптимального накопления информационных зарядов в датчике ДТС 1-4 в режиме «MONOSHOT».
Для этого выполняется калибровка телевизионной камеры.
макс
Сначала телевизионная камера 1 должна работать в режиме «TV». Перед оптическим блоком 1-1 устанавливается тест-таблица, а ее освещенность в белом Е обеспечивает максимальный размах видеосигнала, формируемого датчиком ДТС 1-4, т.е. соответствие его критерию максимума отношения сигнал/шум.
к
Далее телевизионная камера 1 переводится в режим «MONOSHOT». При этом величина напряжения, вводимого через установочные входы в счетчики формирователя 1-16, регулируется так, чтобы при достижении максимального числа счета и возникновения выходного импульса переноса со старшего разряда длительность накопления матрицы ПЗС составляла бы один полукадр по телевизионному стандарту, т.е. Т (20 мс).
Необходимо отметить, что для выполнения этих измерений потребуется запоминающий осциллограф, а сами измерения будут достаточно трудоемкими.
1
макс
2
1
2
к
Тогда, если освещенность объекта съемки E будет меньше, чем Е, то при достижении максимального числа счета выходной импульс переноса появится позже, в момент t (см. фиг.5в), а длительность накопления ПЗС составит (t…t)>T.
2
1
3
1
3
Если освещенность объекта съемки снизить еще, т.е. Е<E, то пропорционально позднее, в момент t (см. фиг.5д), появится импульс переноса, а длительность накопления (t…t) соответственно увеличится.
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>н</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></msubsup></mrow>
мин
Необходимо отметить, что автоматический выбор максимального времени накопления
, которое соответствует предельно низкой освещенности Е объекта съемки, как и длительность хранения в матрице ПЗС накопленных зарядов должны учитывать технологические ограничения фотоприемника по плотности тока термогенерации (темнового тока) и шуму считывания преобразователя «заряд - напряжение».
Поэтому технически обоснованный максимальный отсчет суммарного времени «накопления - хранения» при нормальной температуре для современных матриц ПЗС составляет 1…10 с.
С учетом этих соображений выбирается и максимальная емкость счетчиков формирователя 1-16, который обеспечивает длительность накопления фотоприемника в ДТС 1-4.
Оценим технический результат предлагаемого решения.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в том, что оператору компьютера предлагается возможность вести круговой обзор ситуации в зоне охраняемого объекта, увеличив пространственный угол по азимуту до величины в 360°.
Дополнительным результатом заявляемого решения охранной телевизионной системы можно считать возможность создания на ее основе сложных систем физической защиты за счет возможности успешного вписывания как в локальную вычислительную сеть, так и в глобальную сеть Интернет. Пример структурной схемы по организации такой системы представлен на фиг.2. Отметим, что стрелки на линиях связи этой схемы иллюстрируют передачу сигнала изображения.
Здесь в состав компьютера 4 оператора входит формирователь сигнала 3 тревоги, а сам компьютер выполняет дополнительно функции сервера. Благодаря использованию в данной системе роутера 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 блоки данного решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2447511. МПК G08B 13/196. Охранная телевизионная система «день-ночь» / В.М. Смелков // Б.И. - 2012. - №10.
2. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002. - №20.
3. Заявка Франции №2589301 от 28.10.1985. Устройство электронной обтюрации. Заявитель - фирма i2S (Франция). Реферат заявки опубликован в бюллетене «Передача изображения, телевидение», выпуск 136 МКИ H04N, №12, Москва, 1987.
4. Руководство пользователя по камере iMC 500. Изготовитель - фирма i2S (Франция), 1987.
5. Патент РФ №2426265. МПК H04N 5/00. Телевизионное устройство для обнаружения подвижных объектов / В.М. Смелков // Б.И.. - 2011. - №22.
6. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Челябинск. «Металлургия», 1988.
7. Патент РФ №2371880. МПК H04N 7/00. Способ панорамного телевизионного наблюдения и устройство для его осуществления / В.М. Смелков // Б.И. - 2009. №30.