СПОСОБ ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PANORAMIC VIDEO SURVEILLANCE METHOD AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THEREOF

Предлагаемое изобретение 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 способ панорамного телевизионного наблюдения [1], заключающийся в том, что устанавливают телевизионную камеру в фиксированное положение, осуществляют движение светового потока директивно с повтором циклов по направлению к фотоприемнику, формируют в телевизионной камере аналоговый сигнал изображения наблюдаемого пространства, преобразуют аналоговый видеосигнал в цифровой видеосигнал, передают видеосигнал по интерфейсу в сервер, записывают видеосигнал в оперативную память сервера, осуществляют селективный контроль хранящегося в памяти сервера панорамного изображения на экранах видеомониторов двух и более подключенных к серверу персональных компьютеров.
Устройство прототипа [1] содержит последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, при этом телевизионная камера состоит из последовательно расположенных и оптически связанных оптического узла и датчика цифрового телевизионного сигнала, причем объектив неподвижного снаружи оптического узла накрыт прозрачным куполом, внутри которого расположено зеркало, вращающееся посредством двигателя, а к серверу подключены два или более персональных компьютера, каждый из которых содержит системный блок, манипулятор «мышь» и видеомонитор.
Пространственное расположение зеркала, фокусное расстояние объектива и его относительное отверстие в совокупности определяют собирающую способность оптического узла и его угловое поле зрения при экспонировании фотоприемника датчика цифрового телевизионного сигнала в процессе осуществлении захвата изображения в телевизионной камере. Каждому отдельно взятому изображению захвата соответствует сегмент пространства с ограниченным углом поля зрения телевизионной камеры в текущей позиции зеркала. Совокупность этих фрагментарных изображений формирует искомую панораму. Благодаря тому, что процесс экспонирования (накопления) зарядов в фотоприемнике телевизионной камеры прототипа осуществляется не для статичного, а для подвижного изображения, неизбежно возникновение размытия формируемого изображения в горизонтальном направлении.
Недостаток прототипа - потери разрешающей способности формируемого телевизионной камерой панорамного изображения, предъявляемого оператору на экране видеомонитора.
Задача изобретения - устранение потерь разрешающей способности панорамного изображения путем исключения движения светового потока в процессе экспонирования.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемом способе панорамного телевизионного наблюдения, заключающемся в том, что устанавливают телевизионную камеру в фиксированное положение, формируют в телевизионной камере аналоговый сигнал изображения наблюдаемого пространства, преобразуют аналоговый видеосигнал в цифровой видеосигнал, передают видеосигнал по интерфейсу в сервер, записывают видеосигнал в оперативную память сервера, осуществляют селективный контроль хранящегося в памяти сервера панорамного изображения на экранах видеомониторов двух или более подключенных к серверу персональных компьютеров, согласно предполагаемому изобретению захват изображения в телевизионной камере выполняют с угловым полем в пространстве предметов 360 градусов по азимуту, а кольцевое панорамное телевизионное изображение преобразуют в обычное изображение, причем один текущий «кольцевой» кадр считывают из памяти сервера при помощи n «прямоугольных» кадров, число которых удовлетворяет соотношению:
,
г
где γ - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения.
Поставленная задача в заявляемом устройстве панорамного телевизионного наблюдения, предназначенном для осуществления заявленного способа, решается тем, что в это устройство, содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, при этом телевизионная камера состоит из последовательно расположенных и оптически связанных оптического узла и датчика цифрового телевизионного сигнала, а к серверу подключены два или более персональных компьютера, каждый из которых содержит системный блок, манипулятор «мышь» и видеомонитор, согласно предлагаемому изобретению оптический узел телевизионной камеры является панорамным зеркально-линзовым объективом, а в сервер введен блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем само это преобразование выполняется не новыми аппаратными средствами, а программным путем.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается наличием новых признаков, а именно наличием следующих действий:
- угловым полем захвата изображения в 360 градусов по азимуту в телевизионной камере;
- преобразованием кольцевого панорамного изображения в обычное изображение с условием осуществления этого действия, когда одному текущему «кольцевому» кадру соответствует число n «прямоугольных» кадров.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемый способ отвечает требованию новизны.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых признаков, в том числе:
- новым конструктивным элементом, которым является БПКП - блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры;
- электрическими связями БПКП в составе сервера;
- формой выполнения элементов, а именно формой выполнения оптического узла телевизионной камеры, который является панорамным зеркально-линзовым объективом, и формой выполнения БПКП, который реализуется программным путем.
Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
В заявляемом решении панорамное наблюдение осуществляется без директивного движения светового потока по направлению к фотоприемнику телевизионной камеры, в телевизионной камере больше нет механических подвижных элементов, поэтому исключено размытие формируемого камерой телевизионного изображения в горизонтальном направлении, вследствие чего устраняются неизбежные в прототипе потери разрешающей способности в каждом фрагменте панорамного изображения, воспроизводимого на экранах компьютерных мониторов.
Следовательно, по техническому результату и методу его достижения предлагаемое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого устройства, реализующего заявляемый способ; на фиг.2 показано кольцевое изображение и возможное размещение на нем областей телевизионной регистрации; на фиг.3 схематически представлено панорамное изображение, предлагаемое оператору персонального компьютера, в виде последовательности из шести «прямоугольных» кадров; на фиг.4 приведен пример возможного размещения фотоприемных секций на кристалле матрицы, выполненной по технологии КМОП, для панорамного наблюдения.
Заявляемое устройство панорамного телевизионного наблюдения, см. фиг.1, содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и сервер 2, являющийся узлом локальной вычислительной сети, при этом телевизионная камера 1 состоит из последовательно расположенных и оптически связанных оптического узла 1-1, который является панорамным зеркально-линзовым объективом, и датчика 1-2 цифрового телевизионного сигнала, а в состав сервера 2 входит БПКП - блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (на фиг.1 не показан), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», к которому подключены два или более персональных компьютера, каждый из которых содержит системный блок 3, манипулятор «мышь» 4 и видеомонитор 5.
Панорамный зеркально-линзовый объектив в качестве оптического узла 1-1 телевизионной камеры предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора (кольцевого изображения) и проектирования его на фотомишень датчика 1-2. Техническое решение панорамного зеркально-линзового объектива запатентовано в России отечественными специалистами [2]. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360° по азимуту и может достигать (75-80)° по углу места в зависимости от конструкции. Необходимо отметить, что размер кружка рассеяния панорамного объектива должен соответствовать размерам элемента разложения (пиксела) фотоприемника.
г
Предположим, что горизонтальный угол поля зрения (γ) изображения, наблюдаемого с экрана видеомонитора 5, составляет шестьдесят градусов. Тогда кольцевое панорамное изображение, проецируемое на мишень датчика 1-2 (см. фиг.2) условно разделяется на 6 областей в соответствии с необходимым числом n, равным 6, для количества «прямоугольных» кадров при считывании одного «кольцевого» кадра. Каждая «прямоугольная» область телевизионной регистрации (захвата) будет занимать в соответствующем кольцевом секторе не всю площадь, а определенную его часть. Возможен выбор площади этих областей, когда они имеют взаимные перекрытия.
Пусть «прямоугольные» области захвата с форматом 4:3 расположены в кольцевых секторах по критерию равноудаленности их геометрических центров от центра оптического кольца, как показано на фиг.2. Допустим, что в качестве датчика 1-2 используется бескорпусная телевизионная камера VEA-535 (VEI-535), предлагаемая российской фирмой «ЭВС» [3]. Эта телекамера может осуществить передачу цифрового видеосигнала по интерфейсу USB 2,0 при частоте кадров фотоэлектрического преобразования 4 Гц с числом пикселов матрицы КМОП фотоприемника 2592(H)×1944(V) и форматом мишени 4:3.
При вписывании в вертикальный размер матрицы кольцевого изображения (см. фиг.2) этого числа элементов вполне хватит для считывания шести изображений «прямоугольного» кадра со стандартным разрешением каждого 500(H)×582(V) пикселов, а также для считывания всего остального массива бесполезных в данном применении пикселов.
В перспективе для новых матричных фотоприемников, выполненных по технологии КМОП, вполне возможно пространственное размещение на кристалле с форматом 1:1 шести фотоприемных секций, как показано на фиг.4, что обеспечивает более рациональное использование площади кристалла. Благодаря этому может быть повышена частота кадров фотоэлектрического преобразования, что предоставит возможность наблюдения динамичных панорамных сюжетов.
Учитывая, что технология КМОП в отличие от технологии ПЗС принципиально позволяет достаточно простыми средствами организовать фотоприемник, содержащий на кристалле десятки миллионов пикселов [4, с.75], можно надеяться и на реализацию на его площади 16 фотоприемных секций, что обеспечит для оператора угол зрения по горизонтали 22,5°.
Относительно применения в телевизионной камере фотоприемника на матрице КМОП следует отметить важное обстоятельство. Угловое поле зрения фотоприемника по горизонтали в 360° приводит намного чаще к оценке сюжетной ситуации как наблюдения объектов в условиях сложной освещенности и/или яркости в одном телевизионном кадре. В этих условиях телевизионная камера должна иметь исключительно широкий динамический диапазон, который достигается организацией многоканального преобразования «свет - сигнал» в фотоприемнике [5, 6], что недоступно для матриц ПЗС. При использовании матриц КМОП динамический диапазон телевизионной камеры может перекрывать 120 дБ, т.к. управление крутизной этого преобразования для поддержания оптимальной длительности экспонирования (накопления) принципиально возможно в каждом пикселе фотоприемника. Основанием для этого является схема топологической организации прибора - «координатная адресация», обеспечивающая доступ к каждому элементу.
БПКП предназначен для преобразования «кольцевого» кадра изображения, формируемого телевизионной камерой 1, в обычные «прямоугольные» кадры. В нашем примере 6 областям «кольцевого» кадра (см. фиг.2) соответствуют 6 «прямоугольных» кадров на выходе БПКП (см. фиг.3). Это преобразование выполняется в сервере 2, в котором осуществляется непосредственная запись цифрового видеосигнала в блок оперативной памяти. Организация считывания каждого из шести «прямоугольных» кадров также возлагается на сервер, а ее реализация выполняется программным путем в реальном масштабе времени. Операция считывания включает для каждого «прямоугольного» кадра следующие процедуры:
- индивидуальный разворот электронного изображения относительно геометрического центра на угол в пределах от минус 90 до плюс 90 градусов;
- коррекцию геометрических искажений соответствующего участка оптического панорамного изображения.
Способ панорамного телевизионного наблюдения осуществляется следующим образом. Воспользуемся структурной схемой заявляемого устройства панорамного телевизионного наблюдения (см. фиг.1), реализующего заявленный способ.
Телевизионная камера 1, содержащая панорамный зеркально-линзовый объектив 1-1 и датчик 1-2, устанавливается в фиксированное положение, например, при помощи фотоштатива (не показан). Для наблюдаемого телевизионной камерой изображения кругового обзора пространства датчик 1-2 по интерфейсу USB 2,0 осуществляет передачу цифрового видеосигнала на сервер 2 и его запись в блок оперативной памяти.
Цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения при помощи БПКП преобразуется в n «прямоугольных» кадров и предоставляется пользователям персональных компьютеров на выходе «сеть» сервера 2.
г
Предполагая, что текущий угол поля зрения (γ) предъявляемого панорамного изображения составляет 60° по горизонтали, «кольцевой» кадр записи включает 6 условных областей (см. фиг.2), которые считываются в БПКП 6 «прямоугольными» кадрами (см. фиг.3).
Локальную вычислительную сеть, подключенную к серверу 2, образуют персональные компьютеры, каждый из которых оснащен системным блоком в позиции 3, манипулятором «мышь» в позиции 4 и видеомонитором в позиции 5. Оператор каждого персонального компьютера может осуществить при помощи манипулятора «мышь» 4 селекцию предлагаемого изображения и его вывод на экран видеомонитора 5.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в устранении размытия по горизонтали в каждом фрагменте наблюдаемого панорамного изображения из-за отсутствия движения в процессе экспонирования фотоприемника в телевизионной камере, что гарантирует сохранение исходного показателя по разрешающей способности.
В настоящее время все элементы структурной схемы устройства панорамного телевизионного наблюдения, которые реализуют все действия согласно заявленному способу и определяют заявляемое устройство, освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью. Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Whiting Joshua В., Barker Alex С.Panoramic digital camera system. Патент США №6034716, H04N 7/00, 348/36, 348/37, заявлен 18Л2.1997, опубликован 07.03.2000.
2. Куртов А.В., Соломатин В.А. Панорамный зеркально-линзовый объектив. Патент России №2185645, G02B 13/06, G02B 17/08, заявлен 22.12.1999, опубликован 20.10.2001.
www.evs.ru.
3.  Бескорпусные мегапиксельные телевизионные USB 2,0 камеры.
4. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К., Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле / Под ред. А.А. Умбиталиева и А.К. Цыцулина - М.: «Радио и связь», 2006 г.
5. Смелков В.М. Аналитическая оценка многоканального способа расширения динамического диапазона телевизионной системы // Специальная техника. - 2007. - №2. - с.25-29.
6. Смелков В.М. Иду на растр: Эссе об изобретениях по классу H04N / Великий Новгород, Изд. НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2007. - 176 с.