Способ формирования видеосигнала в "кольцевом" фотоприёмнике и сервере для компьютерной системы панорамного наблюдения в условиях сложной освещённости и/или сложной яркости объектов
METHOD FOR FORMING A VIDEO SIGNAL IN "RING" PHOTODETECTOR AND SERVER FOR PANORAMIC SURVEILLANCE COMPUTER SYSTEM IN CONDITIONS OF COMPLEX ILLUMINATION AND/OR COMPLEX BRIGHTNESS OF OBJECTS

Предлагаемое изобретение на способ относится к телевизионно-компьютерной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах панорамного наблюдения, которые выполнены на базе «кольцевых» телевизионных сенсоров по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и предназначены для работы в условиях, когда объекты контроля существенно различаются друг от друга по освещенности и/или яркости. Эти камеры осуществляют одновременно круговой обзор обстановки в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места.
r
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ формирования видеосигнала в «кольцевом» фотоприемнике и сервере для компьютерной системы панорамного наблюдения [1], заключающийся в том, что устанавливают телевизионную камеру в фиксированное положение, осуществляют захват оптического изображения в телевизионной камере с угловым полем в пространстве предметов 360° по азимуту, в «кольцевом» фотоприемнике телевизионной камеры, выполненном по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), который имеет кристалл в виде кругового кольца и содержит в его пределах «кольцевую» фотоприемную область (мишень), «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся блоком преобразования «заряд-напряжение» (БПЗН) с организацией «плавающая диффузия», 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 на фотоприемной области площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов различны от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига; накапливают зарядовое изображение информационного кадра на светочувствительных элементах мишени в соответствии с управляющим напряжением для автоматической регулировки времени накопления (АРВН) фотоприемника, причем отсчет величины управляющего напряжения выполняют в пределах всей мишени, осуществляют «кольцевую» развертку зарядового изображения на мишени с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре сдвига и формированием на выходе БПЗН напряжения аналогового сигнала изображения наблюдаемого пространства, причем в процессе получения видеосигнала сенсора управляют площадью считывающей апертуры за счет того, что от строки к строке перестраивают (изменяют) период управляющих импульсов T, (импульсов сброса) для БПЗН по соотношению
р
где Т - период считывания элемента в «кольцевом» фото приемнике;
m
n - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике, равна отношению
1
m
где Δ и Δ - соответственно площадь светочувствительного элемента для первой и текущей строк считывания в «кольцевом» фотоприемнике, обеспечивая одинаковую величину площади считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра фотоприемника; регулируют коэффициент усиления видеотракта для аналогового видеосигнала в соответствии с управляющим напряжением автоматической регулировки усиления (АРУ), используя тот же отсчет величины управляющего напряжения, что и для АРВН, преобразуют аналоговый видеосигнал в цифровой видеосигнал, передают видеосигнал телевизионной камеры по интерфейсу в сервер, при этом в сервере «кольцевое» телевизионное изображение преобразуют в обычное («прямоугольное») изображение, причем один текущий «кольцевой» кадр считывают из памяти сервера при помощи k «прямоугольных» кадров, число которых удовлетворяет соотношению
где  - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения.
Способ формирования видеосигнала прототипа [1] обеспечивает в «кольцевом» растре аналогового видеосигнала фотоприемника выравнивание разрешающей способности изображения, которое с аналогичным результатом реализуется и для «прямоугольных» кадров наблюдения, предлагаемых операторам-пользователям.
Недостаток способа формирования видеосигнала в прототипе -ограниченная чувствительность отдельных «прямоугольных» кадров, регистрируемых при низкой освещенности (яркости) соответствующих фрагментов панорамного изображения.
Задачей изобретения является организация в автоматическом режиме повышения чувствительности этих отдельных «прямоугольных кадров, регистрируемых при низкой освещенности (яркости) соответствующих фрагментов панорамного изображения, путем увеличения для них времени накопления фотоприемника и коэффициента усиления видеотракта телевизионной камеры.
Поставленная задача в заявляемом способе формирования видеосигнала в «кольцевом» фотоприемнике и сервере для компьютерной системы панорамного наблюдения решается тем, что устанавливают телевизионную камеру в фиксированное положение, осуществляют захват оптического изображения в телевизионной камере с угловым полем в пространстве предметов 360° по азимуту, в «кольцевом» фотоприемнике телевизионной камеры, выполненном по технологии ПЗС, который имеет кристалл в виде кругового кольца и содержит в его пределах «кольцевую» мишень, «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся БПЗН с организацией «плавающая диффузия», при этом на мишени 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 на фотоприемной области площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов различны от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига, накапливают зарядовое изображение информационного кадра на светочувствительных элементах мишени в соответствии с управляющим напряжением для АРВН фотоприемника, осуществляют «кольцевую» развертку зарядового изображения на мишени с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре сдвига и формированием на выходе БПЗН напряжения аналогового сигнала изображения наблюдаемого пространства, причем в процессе получения видеосигнала сенсора управляют площадью считывающей апертуры за счет того, что от строки к строке изменяют период управляющих импульсов для БПЗН по соотношению (1) и при условии (2), обеспечивая одинаковую величину площади считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра фотоприемника; регулируют коэффициент усиления видеотракта для аналогового видеосигнала в соответствии с управляющим напряжением АРУ, используя тот же отсчет величины управляющего напряжения, что и для АРВН, преобразуют аналоговый видеосигнал в цифровой видеосигнал, передают видеосигнал телевизионной камеры по интерфейсу в сервер, при этом в сервере «кольцевое» телевизионное изображение преобразуют в обычное изображение, причем один текущий «кольцевой» кадр считывают из памяти сервера при помощи k «прямоугольных» кадров, число которых удовлетворяет соотношению (3), отличающийся тем, что в телевизионной камере отсчет величины управляющего напряжения для АРВН и АРУ выполняют в текущем «кольцевом» кадре, в пределах одной из k областей «кольцевой» мишени фотоприемника, причем площадь этой области совпадает с участком на мишени, занимаемым соответствующим «прямоугольным» кадром, осуществляя отсчеты управляющего напряжения для k «кольцевых» кадров аналогового видеосигнала последовательно (один за одним) в циклическом режиме, при этом запись текущих цифровых «кольцевых» кадров изображения в сервере выполняют раздельно в первую, вторую, … (k-1)-ю и k-ю оперативные памяти сервера, из которых считывают по одной качественной записи «прямоугольного» кадра, а именно: из первой памяти - первого «прямоугольного» кадра, из второй памяти - второго «прямоугольного» кадра, … из (k-1)-й памяти - (k-1)-го «прямоугольного» кадра, а из k-й памяти - k-го «прямоугольного» кадра.
Совокупность известных и новых признаков для заявляемого способа не известна из уровня техники, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
Согласно заявляемому способу повышение чувствительности отдельных «прямоугольных» кадров видеосигнала выполняется применительно к «кольцевому» фотоприемнику, т.е. оно реализуется в «кольцевом» растре телевизионного изображения.
Поэтому данное техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена структурная схема компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, реализующей заявляемый способ формирования видеосигнала в «кольцевом» фотоприемнике и сервере; на фиг. 2 - схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника на ПЗС; на фиг. 3 - структурная этой телевизионной камеры из состава компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения; на фиг. 4, по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 5 показано положение областей фотометрирования зарядового рельефа для шести формируемых «прямоугольных» кадров (k=6) на мишени «кольцевого» фотоприемника в условиях ее сложной освещенности и/или яркости; на фиг. 6б-6ж относительно временного положения гасящего импульса строк, показанного на фиг. 6а, приведены эпюры управляющих сигналов для получения необходимых «окон» фотометрирования; на фиг. 7 - функциональная схема, поясняющая организацию в телевизионной камере этого процесса фотометрирования для АРВН.
Устройство на фиг. 1 содержит телевизионную камеру 1, сервер 2, роутер (российское название прибора - маршрутизатор) в позиции 3, компьютер 4 локального пользователя для работы в локальной сети, модем 5 для передачи видеосигнала в сеть Интернет и компьютер 6 удаленного пользователя для получения видеоинформации из «облака» Интернета.
Телевизионная камера 1 (см. фиг. 3), как и для прототипа [1], содержит последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив 1-1 и «кольцевой» фотоприемника 1-2, а также блок 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала и формирования апертуры, сигнальный процессор 1-4 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1-5.
Блок 1-3 телевизионной камеры состоит из временного контроллера 1-3-1, первого преобразователя уровней (ПУ) 1-3-2, второго ПУ 1-3-3, третьего ПУ 1-3-4 и счетчика 1-3-5 по модулю k. Выход АЦП 1-5 является выходом телевизионной камеры и одновременно выходом цифрового телевизионного сигнала (выходом ЦТС).
Отметим, что по входу «Импульсы сброса» сенсора, как и в прототипе [1], осуществляется управление площадью считывающей апертуры для получения ее одинакового показателя по всему «кольцевому» растру. Это гарантирует одинаковую чувствительность для всех элементов (пикселов) мишени, а также эквивалентно реализации одних и тех же пространственных зазоров между соседними пикселами мишени.
На временной контроллер 1-3-1 от счетчика 1-3-5 подается код команды управления. Этот код определяет выбранную область фотометрирования мишени «кольцевого» сенсора 1-2 - «окно», в пределах которого выполняется оценка зарядового рельефа при помощи АРВН и АРУ применительно к формируемым в сервере 2 «прямоугольным» кадрам. Допустим, что число этих «прямоугольных» кадров, запрограммированное в сервере 2, равно шести, т.е. k=6. Тогда двоичный код команды управления должен иметь три разряда. Счетчик 1-3-6 на шесть может быть выполнен по схеме синхронного трехразрядного счетчика [см, например, 3, с. 168-170], а определяемые им режимы представлены в табл., которые дополнительно иллюстрируются фиг. 5-6.
Как и в работе [3], схема трехразрядного счетчика 1-3-6 может быть спроектирована на базе трех JK-триггерах: первый триггер является разрядом единиц, второй триггер - разрядом двоек, а третий триггер - разрядом четверок. Но модуль счетчика 1-3-6 составляет не восемь, а шесть.
Период тактовых импульсов, подаваемых на вход счетчика 1-3-6, равен 1/6 периода строчных импульсов.
Выход разряда единиц обозначен как выход «А» счетчика, выход разряда двоек - как выход «В» счетчика, а выход разряда четверок - как выход «С» счетчика.
С использованием сигналов «А», «В» и «С» во временном контроллере 1-3-1 будут сформированы управляющие сигналы, необходимые для получения в телевизионной камере необходимых «окон» фотометрирования, см. фиг. 6б-6ж, создаваемых по алгоритму: одно новое «окно» в текущем «кольцевом» кадре фотоприемника.
Организация фотоприемника 1-2 (см. фиг. 2) с мишенью в виде кругового кольца, как и в прототипе [1], реализована по технологии ПЗС.
Она содержит на общем кристалле фотоприемную область 1-2-1, в которой чередуются радиально расположенные (от воображаемого геометрического центра кольца) линейки светочувствительных элементов и линейки элементов, экранированных от света (здесь они не показаны), а также «кольцевой» регистр сдвига 1-2-2 и БПЗН 1-2-3 с организацией «плавающая диффузия», причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области 1-2-1 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-2.
Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры, как и в прототипе [1], 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. 6. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75-80) градусов по углу места.
Рассмотрим реализацию заявляемого способа формирования видеосигнала в телевизионной камере 1 (см. фиг. 1…3).
Как и в прототипе [1], предполагается, что телевизионная камера 1 установлена в фиксированное положение, например при помощи фотоштатива (здесь он не показан).
Оптическое изображение наблюдаемой сцены проецируется с выхода панорамного объектива 1-2 на мишень 1-2-1 «кольцевого» фотоприемника.
Фотоприемник 1-2 телевизионной камеры (см. фиг. 2) 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 на выходе телевизионной камеры 1 преобразуется в цифровой телевизионный сигнал (ЦТС), а далее поступает на сервер 2. В сервере 2, как и в прототипе [1], осуществляется запись цифрового видеосигнала в оперативную память на кадр с последующим его считыванием, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры с общим числом k, а также возможность предоставления видеоинформации пользователям на выходе «Сеть» сервера 2.
Следует сразу отметить, что в заявляемом решении, по сравнению с прототипом [1], организация оперативной памяти в сервере 2 имеет некоторые особенности, которые будут изложены ниже.
Но вернемся к телевизионной камере 1. Отметим, что по умолчанию на входах «А», «В» и «С» временного контроллера 1-3-1 присутствует команда управления «ООО», означающая, что областью фотометрирования для АРВН и АРУ является «Окно 1» - область «кольцевой» мишени сенсора, отводимая для «прямоугольного» кадра 1.
Поэтому на выходе «D» временного контроллера 1-3-1, см. фиг. 7, формируется импульсный сигнал, представленный на фиг. 6б.
На время высокого уровня в сигнале «Окна» 1» коммутатор замкнут, а за этот промежуток на входе «Е» временного контроллера 1-3-1 получаем отсчет уровня выходного напряжения амплитудного детектора видеосигнала по пиковому или среднему значению, измеряемому по площади этого окна на мишени фотоприемника.
Отметим, что данное напряжение от амплитудного детектора через аналогичный коммутатор с «окном» подается и на вход сигнального процессора 1-4 для управления работой АРУ.
Пусть в нашем примере, где число k=6, показанном на фиг. 5, в условиях высокой освещенности наблюдаемого сюжета оказывается область, которую занимает «Окно 1 (кадр 1); в условиях слабо пониженной освещенности - «Окно 2» (кадр 2) и «Окно 5» (кадр 5); в условиях средне пониженной освещенности - «Окно 3 (кадр 3) и «Окно 6» (кадр 6), а в условиях существенно пониженной освещенности - «Окно 4» (кадр 4).
н
у
При входной команде «000» параметры, определяющие чувствительность изображения: длительность накопления фотоприемника Т и коэффициент усиления видеотракта К, - фиксируются при оценке зарядового рельефа кадра 1, а распространяются на всю «кольцевую» мишень первого «кольцевого» кадра. При этом эти параметры, являющиеся оптимальными показателями для аналогового видеосигнала будущего «прямоугольного» кадра 1, не являются таковыми для кадров 2-6, т.к. для них они оказываются ниже оптимальных показателей. Далее из телевизионной камеры 1 ЦТС этого «кольцевого» кадра поступает в первую оперативную память сервера 2, где выполняется его запись.
н
y
Когда счетчик 1-3-5 формирует следующую команду «100», телевизионная камера 1 переходит к формированию второго «кольцевого» кадра, в котором будут автоматически установлены другие оптимальные параметры по длительности накопления фотоприемника Т и коэффициенту усиления видеотракта К для аналогового видеосигнала будущего «прямоугольного» кадра 2. Отметим, что в нашем примере, по сравнению с предыдущим отсчетом, эти показатели будут повышены. В составе второго «кольцевого» кадра его запись произойдет во вторую оперативную память сервера 2.
Совершенно аналогичные операции будут выполняться и при последующих командах счетчика 1-3-5, работающего в циклическом режиме.
В результате шесть «кольцевых» кадров в полностью автоматическом режиме будут записаны раздельно в первую, вторую, третью, четвертую, пятую и шестую оперативные памяти сервера 2.
Это означает, что в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов, сопутствующих панорамному телевизионному наблюдению, в каждой из этих цифровых записей «кольцевого» видеосигнала будут содержаться соответственно по одной качественной (оптимальной) записи для первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого «прямоугольных» кадров.
А только для этих «прямоугольных» кадров и в данном порядке необходимо и достаточно произвести считывание видеоинформации из каждой из записей, чтобы ее можно было с успехом предложить операторам-пользователям персональных компьютеров 3.
н
y
Технический результат заявляемого решения обеспечивается, что в телевизионной камере 1 будут в полностью автоматическом режиме получены искомые оптимальные показатели для параметров Т и К применительно к шести участкам «кольцевой» мишени фотоприемника.
Следовательно, будет достигнуто повышенное отношение сигнал/шум (ψ) формируемого видеосигнала и соответственно увеличение чувствительности наблюдаемых фрагментов изображения, по сравнению с прототипом, в аналогичных условиях контролируемого сюжета.
В настоящее время все блоки структурной схемы компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, реализующей предлагаемый способ формирования видеосигнала, освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предполагаемое изобретение на способ формирования видеосигнала в «кольцевом» фотоприемнике и сервере для компьютерной системы панорамного наблюдения в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2611421, МПК H04N 5/225. Телевизионная камера и ее «кольцевой» фотоприемник для компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения. / В.М. Смелков // БИ. - 2017. - №6.
2. Патент РФ №2185645, МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // БИ. - 2002. - №20.
3. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. Перевод с английского. - М.: «Мир», 1988.