СИСТЕМА МНОГОРАКУРСНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
SYSTEM OF MULTIANGLE TELEVISION

Изобретение относится к области прикладного телевидения и предназначается для формирования многоракурсных телевизионных (ТВ) изображений кругового (панорамного) обзора. Оно может найти применение для оперативного видеонаблюдения объектов, при решении информационно-измерительных задач экспресс-анализа ТВ изображений, записи или архивирования видеоинформации.
Сферы применения систем многоракурсного телевидения определяются экстремальными видами деятельности человека, а также тем, что существует потребность в дистанционном получении видеоинформации об объектах, при выполнении работ в недоступных по каким-либо причинам средах или присутствие человека является нежелательным, или физически невозможным, например, на объектах в ядерной энергетике, атомной, химической, энергетической, нефтеперерабатывающей или газовой промышленности, взрывоопасном производстве и на иных объектах в других отраслях народного хозяйства, промышленности, науки и техники.
Основу предлагаемой системы многоракурсного телевидения на передающей стороне составляет многоракурсная ТВ камера кругового (панорамного) обзора окружающего пространства. Такие камеры могут быть использованы при видеонаблюдении объектов инженерной деятельности людей в надводном, наземном и воздушном пространстве, при автоматической навигации и вождении наземных и водных транспортных средств, дистанционном зондировании объектов природной среды (пожароопасных лесных массивов), подстилающей, водной или снежной поверхности Земли, при решении специальных охранных задач по обеспечению безопасной жизнедеятельности и пребывания людей в аэропортах, вокзалах и местах их массового скопления.
Видеонаблюдение объектов окружающего пространства с помощью многоракурсных ТВ камер может быть осуществлено при их установке на наземных, подземных, надводных, подводных или воздушных (космических) средствах, или в различных закрытых наземных и подземных помещениях и сооружениях, в технических отсеках подводных плавательных средств, надводных кораблей и космических летательных аппаратов и др. При этом могут формироваться и отображаться двумерные ТВ изображения отдельных ракурсов или объемное изображение двух соседних ракурсов.
Известны патентные источники, отражающие системы и способы формирования объемных ТВ изображений [1-9]. Однако указанные способы предназначены для формирования только объемных ТВ изображений путем передачи сигналов черно-белого или цветного телевидения с последующим воспроизведением изображений левого и правого кадров стереопары на экране ТВ приемника для зрительного восприятия объемных изображений объектов.
Известны литературные источники, описывающие системы и способы формирования черно-белых и цветных объемных ТВ изображений [10-15].
Данные источники отражают построение систем объемного черно-белого и цветного телевидения применительно к известным системам аналогового вещательного телевидения, с точки зрения выполнения условий профессиональной совместимости вновь разрабатываемых ТВ систем.
Принцип действия системы многоракурсного телевидения [16] заключается в наблюдении объектов с нескольких позиций с помощью ТВ датчиков, размещенных по дуге. Каждый передающий ТВ датчик формирует двумерное изображение, которое отличается от изображения, формируемого соседним ТВ датчиком, только горизонтальным параллаксом. Расстояние между ТВ датчиками определяется угловой плотностью ракурсов и равно угловому интервалу Δφ=φ(N-1), где φ - угол обзора объекта ТВ датчиком и N-число ТВ датчиков. Воспроизведение всех сформированных изображений осуществляется на общем специальном экране, с помощью видеоконтрольных устройств, также располагаемых по дуге. Отмечается, что сигналы от ТВ датчиков могут передаваться одновременно или последовательно, но в том и другом случае общая полоса частот канала связи для передачи видеосигналов многоракурсного телевидения составляет величину ΔF=N·Δf, где Δf - необходимая полоса частот для передачи одного ТВ сигнала.
Известны зарубежные аналоги построения систем телевидения, формирующих многоракурсные изображения, которые также содержат несколько расположенных веерообразно видеокамер с заданными шагами стереобразы и конвергенции, работающими параллельно. Например, в системе [17] осуществлена параллельная работа большого числа синхронизированных видеокамер, каналов передачи и воспроизведения для каждого из ракурсов. В этой системе канал передачи требует полосы частот, пропорциональной числу записанных и воспроизводимых ракурсов.
Более совершенна многоракурсная система [18], в которой осуществлена параллельная работа большого числа синхронизированных видеокамер. При этом, однако, канал передачи имеет лишь удвоенную полосу частот, поскольку система передает и воспроизводит только те два ракурса, которые соответствуют положению зрителя. Для этого определяется положение зрачков зрителей, например, с помощью ультразвукового локатора, и к каналу передачи подключаются только те две видеокамеры, положение которых соответствует положению зрителя.
Эффективно устройство [19], в котором при параллельной работе большого числа синхронизированных видеокамер выделяется сигнал одной из видеокамер и на его основе формируется базовое изображение, а информация сжимается посредством кодирования разности сигналов базового изображения и сигналов соседней (второй) видеокамеры. Затем эта разность используется для предсказания разностной картины между третьей и второй видеокамерами и выработки сигнала ошибки между реальным и предсказанным отличием сигналов третьей и второй видеокамер. Эти сигналы ошибки кодируются и передаются как дополнение к основной (базовой) картине. Таким же образом вырабатываются сигналы ошибки для последующих видеокамер.
Такой же подход, основанный на предсказании соседнего ракурса и формировании дополнительного сигнала ошибки, используется при наблюдении быстродвижущихся объектов [20]. Однако полоса частот тракта передачи объемного изображения в двух последних системах значительно превышает существующие стандарты.
Системы многоракурсного телевидения позволяют формировать изображения большого числа ракурсов и воспроизводить отдельные ракурсные изображения, а также для соседних ракурсов формировать для зрителя их объемное изображение. Основным параметром многоракурсной ТВ системы является угловая плотность повторения ракурсов. Увеличение числа ракурсов требует повышения скорости передачи и обработки ТВ информации. В случае многоракурсного телевидения требуется расширение полосы канала связи пропорционально увеличению числа ракурсов. Реализация систем многоракурсного телевидения с использованием известных методов и устройств до настоящего времени сопряжена со следующими трудностями:
- техническая сложность быстро возрастает с увеличением числа воспроизводимых ракурсов;
- требуется большая скорость потока данных (кратное числу ракурсов) или существенный объем вычислений для кодирования и декодирования данных.
Следует отметить, что описанные выше в литературных и патентных источниках принципы построения систем многоракурсного телевидения предусматривают расположение разнесенных между собой на некоторое базисное расстояние нескольких передающих ТВ камер вокруг наблюдаемых объектов. Это является отличительной особенностью реализации рассмотренных систем по сравнению с предлагаемой системой многоракурсного телевидения. В известных системах, при увеличении размеров и протяженности объектов контроля, требуется увеличение числа ТВ камер для охвата всего пространства вокруг наблюдаемых объектов. Все это ограничивает применение известных систем многоракурсного телевидения в повседневной практике.
1
Предлагаемая система многоракурсного телевидения имеет в своем составе одну многоракурсную передающую ТВ камеру, в которой на некоторой поверхности по периметру окружности с радиусом R располагают совместно несколько синхронных ТВ датчиков, каждый из которых имеет свой угол обзора объектов окружающего (кругового) пространства, который равен величине φ. При этом для формирования многоракурсного изображения кругового обзора (360°) необходимо использовать ТВ датчики, число которых равно величине Р=360°)/φ.
В качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения по совокупности основных признаков и операций над сигналами, принят способ передачи и приема ТВ сигналов [21], где приведена схема системы передачи и приема ТВ сигналов.
c
Система передачи и приема ТВ сигналов, реализующая указанный способ, предусматривает передачу Р=N+W синхронных ТВ сигналов. Она содержит на передающей стороне Р источников синхронных ТВ сигналов, общий синхрогенератор, Р аналогово-цифровых преобразователей, Р преобразователей параллельного кода в последовательный, цифро-аналоговый преобразователь, сумматор, усилитель, квадратурный модулятор, фазовращатель 90°, усилитель, а на приемной стороне - усилитель, селектор синхронизирующих сигналов, генератор опорной несущей частоты f, фазовращатель 90°, генератор тактовых импульсов, демодулятор (два синхронных детектора), аналого-цифровой преобразователь, Р преобразователей сигналов последовательного кода в параллельный, Р цифро-аналоговых преобразователей, формирователь строчных и кадровых синхроимпульсов, Р видеоконтрольных блоков, а также канал связи.
Данная система передачи и приема ТВ сигналов позволяет осуществить передачу и прием Р исходных видеосигналов, в полосе частот одного видеосигнала, преобразованного в цифровую форму, что решает основную задачу для возможной реализации различных систем многоракурсного телевидения, которые предусматривают передачу большого числа видеосигналов (в общем случае, пропорционально числу формируемых ракурсов).
Наряду с этим, в описании данной системы передачи и приема ТВ сигналов отсутствуют требования к пространственному расположению Р источников ТВ сигналов, а также в приемной части не показывается принцип пространственного расположения Р видеоконтрольных устройств, что является необходимым для отображения и восприятия зрителем многоракурсной видеоинформации кругового обзора.
Отсутствие в известной системе передачи и приема ТВ сигналов требований к пространственному расположению Р источников синхронных ТВ сигналов в передающей части системы, а также отсутствие сведений по пространственному расположению Р видеоконтрольных устройств в ее приемной части не позволяет обеспечить формирование многоракурсных видеосигналов и осуществить их отображение на экранах видеоконтрольных устройств для последующего восприятия информации кругового обзора, что является недостатком.
Технический результат - обеспечение формирования сигналов многоракурсных телевизионных изображений кругового обзора и их одновременного отображения для зрительного восприятия видеоинформации отдельных ракурсов в виде двумерных изображений, а также для восприятия видеоинформации двух любых соседних ракурсов из Р ракурсов в виде объемного изображения.
1
Технический результат достигается тем, что в системе многоракурсного телевидения, содержащей на передающей стороне Р источников синхронных телевизионных сигналов, соединенных с Р входами устройства объединения и совместной передачи Р телевизионных сигналов, где общий выход данного устройства соединен с входом линии связи, выход которой на приемной стороне соединен с входом устройства приема и выделения Р синхронных телевизионных сигналов, где каждый выход которого соединен с соответствующим входом Р видеоконтрольных устройств для отображения видеоинформации, согласно изобретению на передающей стороне системы используют многоракурсную передающую телевизионную камеру, содержащую Р синхронных телевизионных датчиков, являющихся источниками Р синхронных телевизионных сигналов, которые располагают через определенное базисное расстояние L на плоскости по периметру окружности полого шара Ульбрихта, имеющего общий радиус R и Р отверстий для телевизионных датчиков, причем оптическая линия визирования каждого телевизионного датчика направлена от шара к окружающему пространству с охватом соответствующего ракурса, и число используемых телевизионных датчиков равно величине
2
2
1
Р=360°/φ, где φ - угол обзора окружающего пространства отдельным ТВ датчиком, а на приемной стороне системы осуществляют воспроизведение Р многоракурсных телевизионных сигналов с помощью Р видеоконтрольных устройств, располагаемых на плоскости по окружности с радиусом R, в соответствии с расположением Р синхронных телевизионных датчиков на передающей стороне, причем R>R и экраны видеоконтрольных устройств направлены во внутреннюю сторону окружности, каждый из которых отображает телевизионную информацию отдельного ракурса из Р ракурсов кругового обзора для визуального восприятия человеком, а также объемных изображений объектов, путем отображения телевизионных изображений двух соседних ракурсов отдельно для каждого глаза.
При этом многоракурсная передающая телевизионная камера может быть установлена снаружи на наземных, подземных, надводных, подводных, воздушных (космических) неподвижных и движущихся средствах и аппаратах.
Многоракурсная передающая телевизионная камера может быть установлена внутри различных закрытых наземных и подземных помещений и сооружений, внутри транспортных средств, в технических отсеках подводных плавательных средств, надводных кораблей и космических летательных аппаратов.
Р синхронных телевизионных датчиков многоракурсной передающей телевизионной камеры могут формировать сигналы черно-белого, цветного, спектрозонального телевидения и сигналов тепловидения.
min
max
Р синхронных телевизионных датчиков могут иметь в своем составе объективы с постоянным фокусным расстоянием F, а также с переменным фокусным расстоянием от F до F.
Все синхронные телевизионные датчики многоракурсной передающей телевизионной камеры могут иметь одинаковые спектральные зоны регистрации лучистости объектов.
В Р синхронных телевизионных датчиках многоракурсной передающей телевизионной камеры по отдельным ракурсам могут использоваться другие спектральные зоны регистрации лучистости объектов, по сравнению с телевизионными датчиками остальных ракурсов.
Использование указанного принципа построения многоракурсной передающей ТВ камеры и приведенных условий пространственного расположения Р телевизионных датчиков на передающей стороне и Р видеоконтрольных устройств на приемной стороне является существенным и обеспечивает достижение поставленной цели.
Технический результат достигается за счет использования одной многоракурсной передающей ТВ камеры, осуществляющей регистрацию отраженного или излученного потока лучистой энергии от объектов окружающего пространства, состоящего из Р ракурсов кругового ТВ обзора (до 360°).
На фиг.1 представлена структурная схема заявленной системы многоракурсного телевидения. Данная система содержит на передающей стороне многоракурсную передающую ТВ камеру 1, формирующую Р синхронных ТВ сигналов, устройство объединения и совместной передачи Р синхронных ТВ сигналов 2, канал связи 3, а на приемной стороне система содержит устройство приема и выделения Р синхронных ТВ сигналов 4, блок отображения Р синхронных ТВ сигналов 5 для визуального восприятия многоракурсной ТВ информации.
1
2
3
16
1
j
16
Принцип расположения Р синхронных телевизионных датчиков 6 в многоракурсной передающей ТВ камере 1 для формирования видеоинформации показан на фиг.2. Принято, что многоракурсная ТВ камера системы, для данного примера, имеет в своем составе 6, 6, 6…… 6 ТВ датчиков. Каждый ТВ датчик 6 состоит из объектива, преобразователя "свет-сигнал", усилителя и других известных необходимых элементов для формирования сигналов ТВ изображений. На выходах ТВ датчиков формируются синхронные сигналы ТВ изображений U, … U, … U, которые через коммутационный разъем 8 далее поступают на входы устройства 2.
1
1
2
3
16
В такой передающей камере ТВ датчики 6 расположены через определенное базисное расстояние L по периметру окружности некоторой поверхности 7, имеющей радиус, равный величине R, причем оптическая линия визирования каждого ТВ датчика 6, 6, 6…… 6 направлена к окружающему пространству. Угол обзора наблюдаемого пространства для каждого ТВ датчика составляет величину φ=360°/Р, где P число выбранных ТВ датчиков. Через коммутационный разъем 8 также поступают к ТВ датчикам 6 синхронизирующие и управляющие импульсы от общего синхрогенератора, питающее напряжение и т.д.
Поверхность 7 с Р телевизионными датчиками 6 располагают внутри полого шара Ульбрихта 9, который имеет отверстия 10 с диаметром d, исходя из размера объектива ТВ датчиков 6. Для крепления шара Ульбрихта 9 используется штатив 11, как показано на фиг.3.
1
2
3
16
Если осевая, перпендикулярная поверхности 7, где расположены синхронные ТВ датчики 6, 6, 6…… 6 внутри полого шара Ульбрихта 9 параллельной горизонтальной плоскости, образует с осью Х угол β, равный 90°, формируются сигналы ТВ изображений окружающего пространства "слева - направо". Исходя из условий наблюдения объектов окружающего пространства, этот угол может составлять величину β<90°. При β=0° осуществляется формирование сигналов ТВ изображений окружающего пространства "сверху - вниз" относительно горизонтальной плоскости.
Многоракурсная передающая ТВ камера 1, например, может быть установлена на неподвижной мачте с определенной высотой h для наблюдения пожароопасных лесных массивов определенного района или на движущемся транспортном средстве, на надводных, подводных или воздушных (космических) средствах, или в различных закрытых наземных и подземных помещениях и сооружениях и др.
min
max
ТВ датчики 6 многоракурсной камеры 1, в зависимости от решаемой задачи экспресс-анализа текущей видеоинформации, имеют в своем составе объективы с постоянным фокусным расстоянием F или переменным фокусным расстоянием от F до F. Это еще связано с тем, что расстояние (дальность) до наблюдаемых объектов открытого или закрытого пространства может быть различным. При заданных параметрах разложения ТВ изображения, имеющего Z×Z элементов, дальнейшее повышение различительной способности объектов на местности будет определяться возможностью увеличения фокусного расстояния объектива ТВ датчика 6.
В общем случае, ТВ датчики 6 многоракурсной камеры 1 могут предназначаться для формирования сигналов черно-белого, цветного, спектрозонального телевидения и сигналов тепловидения. При этом все ТВ датчики 6 могут иметь одинаковые спектральные зоны регистрации лучистости объектов. Они также могут иметь в своем составе по какому-то отдельному ракурсу, из Р ракурсов кругового обзора, другие спектральные зоны регистрации лучистости объектов по сравнению с ТВ датчиками 6 оставшихся ракурсов. Например, для двух соседних ракурсов, один ТВ датчик 6 может формировать сигнал черно-белого телевидения, а другой сигнал тепловидения и т.д.
В предлагаемой системе многоракурсного телевидения на передающей стороне используется устройство объединения и совместной передачи Р синхронных ТВ сигналов 2, а на приемной стороне устройство приема и выделения Р синхронных ТВ сигналов 4. Устройства 2 и 4 имеют в своем составе блоки и элементы, работающие в соответствии с выбранным прототипом [21].
1
j
16
2
2
1
Блок отображения многоракурсной информации 5, включающий Р видеоконтрольных устройств 12, …12, …12 с их пространственным расположением для визуального восприятия объектов кругового обзора, показан на фиг.4. Видеоконтрольные устройства 12 расположены на некоторой плоскости по периметру окружности с радиусом R, в соответствии с расположением ТВ датчиков 6 на передающей стороне, причем R>R и экраны видеоконтрольных устройств направлены во внутреннюю сторону окружности, каждый из которых отображает ТВ информацию отдельного ракурса из Р ракурсов кругового обзора для визуального восприятия.
Взаимодействие блоков и устройств и работа системы многоракурсного телевидения (фиг.1) осуществляются следующим образом. Многоракурсная ТВ камера 1 формирует Р синхронных ТВ сигналов, путем регистрации отраженного или излученного потока лучистой энергии от объектов окружающего пространства, состоящего из Р ракурсов кругового ТВ обзора (до 360°). При этом число ТВ датчиков выбирается из условия Р=360°/φ, где φ - угол обзора окружающего пространства отдельным ТВ датчиком 6.
1
j
P
1
2
3
Р
R
Формируемые сигналы ТВ изображений U, … U, … U с выхода каждого ТВ датчика 6, 6, 6………6 многоракурсной ТВ камеры 1 непосредственно поступают на соответствующие входы известного устройства объединения и совместной передачи Р синхронных ТВ сигналов 2, где осуществляются операции по обработке сигналов, включающие аналого-цифровое преобразование исходных сигналов, объединение и получение результирующих сигналов, многопозиционную квадратурную модуляцию и передачу сигнала U по линии связи 3.
R
1
j
P
1
j
P
С выхода линии связи 3 сигнал U поступает на вход приемной части системы многоракурсного телевидения, где используется устройство приема и выделения Р синхронных ТВ сигналов 4, в котором осуществляются операции обработки сигналов, включающие демодуляцию сигнала, поступающего с линии связи, и выполнение обратных преобразований для формирования исходных сигналов ТВ изображений U, … U, … U, где каждый из которых поступает на блок отображения Р синхронных ТВ сигналов 5 и соответствующий вход Р видеоконтрольных устройств 12, …12, …12.
1
j
P
2
2
2
1
Расположение в пространстве видеоконтрольных устройств 12, …12, …12 осуществляется по периметру окружности с радиусом R, в соответствии с расположением Р ТВ датчиков 6 на некоторой поверхности по периметру окружности с радиусом R на передающей стороне, причем R>R и экраны видеоконтрольных устройств 12 направлены во внутреннюю сторону окружности, каждый из которых отображает ТВ информацию отдельного ракурса из Р ракурсов кругового обзора для визуального восприятия человеком, который располагается в пространстве 13, как показано на фиг.4. При этом использование известных методов и устройств отображения изображений двух соседних ракурсов отдельно для каждого глаза позволяет формировать объемное изображение.
Источники информации
1. RU 94013026 С1, H04N 15/00, 27.12.1995.
2. RU 2096926, H04N 13/00, 20.11.1997.
3. RU 2152066 С1, 27.06.2000.
4. RU 2189121 С1, 09.02.2002.
5. RU 2337386 C2, G02B 27/22, 10.05.2008.
6. US 5621545 A, 15.04.1994.
7. JP 8227054 A, 03.09.1996.
8. DE 19806547 A, 05.11.1998.
9. US 6496183 B1, 17.12.2002.
10. Джакония В.Е. Вещательные системы стереоцветного телевидения. Учебное пособие. Л.: Изд. ЛЭИС, 1979, 51 с.
11. Мамчев Г.В. Стереотелевидение. - М.: Энергия, 1979.
12. Мамчев Г.В. Стереотелевизионные устройства отображения информации. - М.: "Радио и связь". 1983; с.96.
13. Копылов П.М., Тачкова А.Н. Телевидение и голография. М.: "Связь", 1976, с.168.
14. Быков Р.Е., Гуревич С.Б. Анализ и обработка цветных и объемных изображений. М.: "Радио и связь", 1984; с.248.
15. Красильников Н.Н. Теория передачи и восприятия изображений. М.: "Радио и связь", 1986. и др.
16. Телевидение: Учебник для вузов. В.Е.Джакония, А.А.Гоголь, Я.В.Друзин и др.: Под ред. В.Е.Джаконии. М.: "Радио и связь", 2000; с.624, рис.23.6.
17. Патент №2206763 (Великобритания), МКИ H04N 13/04, НКИ H4F.
18. Патент №63-149540 (Япония), МКИ H04N 13/00.
19. Патент №4-327283 (Япония), МКИ H04N 13/00.
20. Патент №4-262467 (Япония), МКИ H04N 13/00116.
21. Заявка на изобретение RU №2008110423 от 18 марта 2008 года.