УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ С РЕАЛИЗАЦИЕЙ ОБМЕНА ПАРАМЕТРОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ
DEVICE FOR COMPUTER SYSTEM FOR PANORAMIC TELEVISION SURVEILLANCE WITH IMPLEMENTATION OF EXCHANGE OF IMAGE PARAMETERS

Предлагаемое изобретение имеет отношение к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной системой при помощи телевизионной камеры кругового обзора в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать 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 последовательно расположенные и связанные твердотельный фотоприемник и блок фотоприемника, причем телевизионная камера формирует «кольцевой» растр изображения, ее фотоприемник выполнен по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и имеет кристалл мишени в виде кругового кольца, а блок фотоприемника обеспечивает развертку аналогового видеосигнала и формирование на выходе телевизионной камеры цифрового телевизионного сигнала, при этом фотоприемник содержит на общем кристалле фотоприемную область, «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся преобразователем «заряд - напряжение» (БПЗН), причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементами, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, а число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига, при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:
г
где γ - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем.
Для прототипа [1] предполагается, что блок фотоприемника содержит блок «кольцевой» развертки видеосигнала, а также соединенные последовательно сигнальный процессор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к тактовому входу АЦП.
Отметим важное обстоятельство, а именно: в телевизионной камере прототипа [1] формирование видеосигнала осуществляется в «кольцевом» растре при считывании его с фотоприемника в режиме с одноэлементной апертурой.
Недостаток прототипа устройства компьютерной системы панорамного наблюдения - отсутствие реализации эффективного обмена параметров изображения.
Задачей изобретения является реализация в «кольцевом» растре телевизионной камеры обмена вертикальной (поперечной) разрешающей способности изображения на его чувствительность и, наоборот, без внесения шумовых потерь в видеосигнал путем управления площадью считывающей апертуры в радиальном направлении.
Поставленная задача в заявляемой компьютерной системе 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 пользователей, при этом телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр изображения, состоит из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и фотоприемника, а также блока «кольцевой» развертки видеосигнала и соединенных последовательно сигнального процессора и АЦП, причем фотоприемник, выполненный по технологии ПЗС, имеет кристалл мишени в виде кругового кольца и содержит на общем кристалле фотоприемную область, «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся БПЗН, при этом на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, а число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига, причем информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к тактовому входу АЦП, при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), введен блок регулировки радиальной апертуры (БРРА), информационный вход которого подключен к пятому выходу блока «кольцевой» развертки, первый синхронизирующий вход БРРА - к шестому выходу блока «кольцевой» развертки, второй синхронизирующий вход БРРА - к седьмому выходу блока «кольцевой» развертки, а выход БРРА - к управляющему входу блока «кольцевой» развертки, при этом первый управляющий вход БРРА является входом «Пуск» телевизионной камеры, второй управляющий вход БРРА - входом «Стоп» телевизионной камеры, а в качестве сервера используется компьютер оператора системы, в котором формируются и с которого подаются команды внешнего управления телевизионной камерой «Пуск» и «Стоп».
Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемое устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения отличается тем, что при помощи вводимого в состав телевизионной камеры БРРА, который управляется оператором компьютера-сервера, в «кольцевом» растре может быть осуществлено изменение площади апертуры фотоприемника в радиальном направлении (радиальной апертуры) без внесения шумовых потерь. Двукратное увеличение площади радиальной апертуры обеспечивает двукратное возрастание чувствительности изображения, которое сопровождается двукратным снижением его четкости по вертикали, четырехкратное увеличение площади этой апертуры - четырехкратному росту чувствительности изображения с одновременным снижением вертикальной четкости тоже в четыре раза и так далее. В результате чего реализуется обмен чувствительности изображения на его вертикальную разрешающую способность, который может оказаться полезным оператору при обнаружении и распознавании объектов.
Совокупность известных и новых признаков для заявляемого устройства не известна из уровня техники, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
Обмен параметров изображения выполняется в «кольцевом» растре изображения. Поэтому данное 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 схемотехническая организации фотоприемника телевизионной камеры; на фиг. 3 показан фрагмент этого фотоприемника, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 4 приведена функциональная схема БРРА, выполняющая двукратный обмен чувствительности на разрешение; на фиг. 5 - эпюры, поясняющие реализацию этого обмена.
Заявляемая компьютерная система  панорамного телевизионного наблюдения, см. фиг. 1, содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и компьютер 2 оператора в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров в позиции 3, при этом на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, выполняющая программным путем запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера и преобразование «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), а сама телевизионная камера 1 содержит последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив 1-1 и фотоприемник 1-2; блок 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала, соединенные последовательно сигнальный процессор 1-4 и АЦП 1-5, а также БРРА 1-6, причем фотоприемник 1-2 имеет форму кругового кольца (см. фиг. 2, 3), у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области 1-2-1 расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига 1-2-2, оканчивающемуся БПЗН 1-2-3, а число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области 1-2-1 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-2, при этом информационный вход сигнального процессора 1-4 подключен к выходу БПЗН фотоприемника 1-2, первый выход блока 1-3 - к управляющим входам фотоприемной области 1-2-1 фотоприемника, второй выход блока 1-3 - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига 1-2-2 фотоприемника, третий выход блока 1-3 - к входу синхронизации сигнального процессора 1-4, четвертый выход блока 1-3 - к тактовому входу АЦП 1-5, пятый выход блока 1-3 - к информационному входу БРА 1-6, шестой выход блока 1-3 - к первому синхронизирующему входу БРРА 1-6, седьмой выход блока 1-3 - ко второму синхронизирующему входу БРРА 1-6, выход которого подключен к управляющему входу блока 1-3, причем команды «Пуск» и «Стоп», формируемые в компьютере-сервере 2, подаются на одноименные внешние входы телевизионной камеры 1 и соответственно на первый и второй управляющие входы БРРА 1-6.
Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры, как и в прототипе, предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора (кольцевого изображения). В качестве технического решения для панорамного объектива 1-1, совпадающего с аналогичным решением для прототипа, может быть предложен панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами [2].
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 1-2, как и в прототипе, в пользу кругового кольца.
Блок 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала, сигнальный процессор 1-4 и АЦП 1-5 выполнены с использованием комплекта специализированных микросхем высокого уровня интеграции и ничем не отличаются от блоков такого же наименования прототипа.
БРРА 1-6 предназначен для управления в фотоприемнике 1-2 площадью его апертуры в радиальном направлении, которая была выше названа (обозначена) термином «радиальная апертура».
На фиг. 4 показана функциональная схема БРРА 1-6, которая реализует частный случай регулировки радиальной апертуры, а именно: изменение ее площади в два раза. Данная схема содержит RS-триггер в позиции 7, D-триггер в позиции 8, первый элемент «И» в позиции 9, второй элемент «И» в позиции 10, третий элемент «И» в позиции 11, четвертый элемент «И» в позиции 12, пятый элемент «И» в позиции 13, первый элемент «ИЛИ» в позиции 14, второй элемент «ИЛИ» в позиции 15, третий элемент «ИЛИ» в позиции 16 и четвертый элемент «ИЛИ» в позиции 17.
На информационный вход БРРА 1-6 подаются в логических уровнях трехфазные импульсы (Ф1Р, Ф2Р, Ф3Р) управления «кольцевым» регистром 1-2-2 в типовом режиме с одноэлементной апертурой (см. фиг. 5б-5г).
На первый синхронизирующий вход БРРА 1-6 поступают кадровые синхроимпульсы (КСИ), а на второй синхронизирующий вход - строчные синхроимпульсы (ССИ). На выходе D-триггера 8 формируется меандр с периодом 2Н (см. фиг. 5д).
С внешнего входа телевизионной камеры на управляющие входы RS-триггера 7 поступают компьютерные команды, характеристики которых представлены в табл. 1.
Отметим, что эти команды внешнего управления телевизионной камерой могут быть успешно сформированы в составе платы видео
вых
вых
вых
На выходе БРРА 1-6 формируются в логических уровнях трехфазные импульсы (Ф1Р, Ф2Р, Ф3Р) управления «кольцевым» регистром 1-2-2 в режиме с двукратной апертурой (см. фиг. 5е-5з).
вых
Следует пояснить, что сигнал второй фазы Ф2Р (см. фиг. 5ж), который имеет высокий логический уровень в течение периода строки, обеспечивает суммирование зарядовых пакетов соседних кольцевых строк и их хранение в потенциальных ямах.
вых
вых
Сигналы первой и третьей фаз, т.е. Ф1Р и Ф3Р,см. фиг. 5е и 5з соответственно, определяют физическую изоляцию возникающих в структуре полупроводника потенциальных ям накопления друг от друга.
э
Заметим, что период поэлементного переноса зарядов (T) в сигналах управления «кольцевым» регистром 1-2-3 фотоприемника не меняется.
С целью дальнейшего повышения чувствительности телевизионной камеры кратность суммирования зарядовых пакетов в одном элементе, выполняемая в БРРА 1-6, может быть увеличена, например, до величины 64, путем необходимого усложнения ее схемы, но без изменений для линии связи внешнего управления и характеристик компьютерных команд.
Очевидно, что БРРА 1-6 может быть выполнен в составе блока 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала.
Важно отметить, что суммирование зарядов не может быть дополнительным источников шумов для видеосигнала на выходе телевизионной камеры.
Поэтому ограничение кратности суммирования апертуры определяет лишь приемлемость оператору предлагаемой поперечной четкости изображения.
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).
В исходном состоянии на входах «Пуск» и «Стоп» телевизионной камеры 1 управляющие сигналы с компьютера 2 отсутствуют, т.е. на этих входах присутствуют низкие логические уровни.
Телевизионная камера 1, как и в прототипе, работает в режиме с одноэлементной апертурой видеосигнала. Фотоприемник 1-2 телевизионной камеры (см. фиг. 2, 3) реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-2-1 с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-2 и формированием на выходе БПЗН 1-2-3 напряжения видеосигнала в аналоговой форме.
При этом в интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности панорамного сюжета, в светочувствительных пикселах фотоприемной области 1-2-1.
В течение кратковременного промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки открывается фотозатвор, и заряды всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, переносятся (за один шаг поворота) в экранированные от света пикселы, расположенные на той же области 1-2-1.
Затем фотозатвор закрывается, и в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода строчной развертки новыми зарядами «кольцевой» регистр 1-2-2.
Аналоговый видеосигнал фотоприемника с одноэлементной апертурой, как и в прототипе, преобразуется далее при помощи сигнального процессора 1-4 и АЦП 1-5 в цифровой телевизионный сигнал (ЦТС) «кольцевого» кадра на выходе телевизионной камеры. Затем ЦТС по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на компьютер-сервер 2, где выполняется запись видеоинформации в его оперативную память на кадр.
г
Предположим, что, как и в прототипе, горизонтальный угол поля зрения (γ) предъявляемого оператору изображения должен составлять 60°. Тогда одна шестая часть каждой «кольцевой» строки из «кольцевого» кадра записывается в сервере 2 соответственно в один из шести массивов оперативной памяти на кадр.
Как и в прототипе, в сервере 2 при помощи элемента БПКП, реализующего возложенные на него функции программным путем, осуществляется операция считывания видеосигнала с одноэлементной апертурой, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» компьютера-сервера 2.
В результате цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в m «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности операторам персональных компьютеров 3 локальной вычислительной сети.
В нашем примере эта последовательность содержит 6 различных изображений, а оператор каждого персонального ноутбука 3 может осуществить селекцию предлагаемого сервером 2 изображения и его вывод на экран дисплея.
Допустим, что для обнаружения или распознавания объекта, интересующего оператора компьютера 2 диагностируется нехватка чувствительности телевизионной камеры 2.
Рассмотрим частный случай ситуации, когда рост чувствительности в два раза будет являться достаточным.
Тогда оператор компьютера 2 посылает по шине «Пуск» сигнал управления в виде кратковременной логической «1».
Когда высокий уровень этого сигнала совпадает с нарастающим фронтом КСИ на синхронизирующем входе БРРА 1-6 (см. фиг. 4), RS-триггер 7 срабатывает, т.е. на его инверсном выходе устанавливается уровень логического «0». Поэтому на выходе элемента «И» 10, элемента «И» 11 и элемента «И» 12 устанавливается тоже низкий логический уровень.
С другой стороны, для строчных синхроимпульсов (ССИ) в D-триггере 8 осуществляется деление частоты на два и формирование меандра с периодом 2H (см. фиг. 5д).
вых
вых
вых
Поэтому на выходе БРРА 1-6 формируются в логических уровнях трехфазные импульсы (Ф1Р, Ф2Р, Ф3Р) управления «кольцевым» регистром 1-2-2 для режима с двукратной апертурой (см. фиг. 5е-5з).
В результате телевизионная камера 1 обеспечивает формирование видеосигнала с увеличенной вдвое радиальной апертурой, что гарантирует увеличение ее чувствительности в два раза.
«Кольцевой» кадр видеосигнала с двукратной апертурой преобразуется далее в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности на компьютеры 3 операторам локальной вычислительной сети точно так же, как и в режиме работы телевизионной камеры с одноэлементной апертурой.
Для возврата телевизионной камеры в режим с одноэлементной апертурой необходимо подать по шине «Стоп» сигнал управления в виде кратковременной логической «1».
Тогда RS-триггер 7 будет возвращен в исходное состояние, т.е. на его инверсном выходе будет восстановлена логическая «1», а входные трехфазные импульсы (см. фиг. 5б-5г) будут поданы без изменений на выход БРРА 1-6.
Отметим, что алгоритм управления радиальной апертурой, величину которой необходимо кратно увеличить в 4, 8, 16, 32 и 64 раза, сохраняется неизменным, но реализуется в БРРА 1-6, выполненном (по сравнению с фиг. 4) по другой и, очевидно, более усложненной функциональной схеме.
В настоящее время все элементы структурной схемы устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2545519. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения и организация фотоприемника для его реализации. / В.М. Смелков // Б.И. - 2015. - №10.
2. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002. - №20.