ОХРАННАЯ ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА
SECURITY TELEVISION 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 фотоприемника в виде матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать охранную телевизионную систему [1], содержащую на передающей стороне телевизионную камеру, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных объектива и датчика сигналов (ДС) видео, синхронизации и движения, в состав которого входят трехфазная матрица приборов с зарядовой связью (матрица ПЗС), временной контроллер, первый, второй и третий трехфазные преобразователи уровней (ПУ), формирователь импульса фотозатвора (ФИФ), первый и второй ПУ, блок задержки на кадр и коммутатор-смеситель, причем выход «видео» и выход «сигнал регистрации движения» ДС являются и соответствующими выходами телевизионной камеры; на приемной стороне телевизионной системы размещены формирователь сигнала тревоги и видеоконтрольный блок, а между блоками передающей и приемной стороны осуществлена линия связи, выполняющая по двум жилам кабеля соединения выхода «видео» и выхода «сигнал регистрации движения» телевизионной камеры соответственно со входом «видео» на видеоконтрольном блоке и с входом «сигнал регистрации движения» на формирователе сигнала тревоги.
Для устройства прототипа предполагается наличие следующих признаков:
- датчик сигналов (ДС) работает в режиме «TV», обеспечивая по выходу «видео» формирование периодического телевизионного сигнала в соответствии с телевизионным стандартом, но может быть переведен в режим «MONOSHOT» - формирования однократного видеосигнала длительностью в один полукадр, как это предложено в изобретении [2] и реализовано практически в изделии [3];
- в качестве видеоконтрольного блока может быть использован персональный компьютер, например компьютер с операционной системой Windows XP, в котором установлен аппаратный продукт серии AVerTV [4].
В режиме «MONOSHOT» для ДС инициируются следующие входы:
- выбор режима работы,
- сигнал накопления кадра,
- сигнал запроса изображения,
а также дополнительные выходы следующих наименований:
- сигнал готовности изображения,
- сигнал квитирования (подтверждения) изображения.
Недостаток прототипа - ограниченные возможности оператора в части визуального контроля ситуации в зоне нарушения после автоматической регистрации наличия движущихся малоконтрастных объектов из-за низкого отношения сигнал/ шум в видеосигнале на входе монитора.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей охранной телевизионной системы путем предъявления оператору снимка изображения зоны нарушения с повышенным отношением сигнал/шум.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемую охранную телевизионную систему, которая содержит на передающей стороне телевизионную камеру, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных объектива и датчика сигналов (ДС) видео, синхронизации и движения, выполненного на основе матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС), причем выход «видео» и выход «сигнал регистрации движения» ДС являются и соответствующими выходами телевизионной камеры, на приемной стороне - формирователь сигнала тревоги и персональный компьютер, а между блоками передающей и приемной стороны - линию связи, выполняющую по двум жилам кабеля соединения выхода «видео» и выхода «сигнал регистрации движения» телевизионной камеры соответственно со входом «видео» на компьютере и со входом «сигнал регистрации движения» на формирователе сигнала тревоги, в телевизионную камеру введены пиковый детектор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), формирователь длительности накопления, одновибратор, первый и второй RS-триггеры и элемент «ИЛИ», при этом выход «видео» ДС подключен к информационному входу пикового детектора, управляющий вход которого объединен с входом одновибратора и входами «S» первого и второго RS-триггеров и подключен к выходу «сигнал регистрации движения» ДС, а выход 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» ДС, а выход формирователя длительности накопления подключен к входу «R» первого RS-триггера и соответственно к входу «сигнал накопления кадра» ДС, 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» - ко входу «выбор режима работы» ДС, при этом для ДС вход «сигнал запроса изображения», вход «сигнал квитирования изображения» и выход «сигнал готовности изображения» являются соответствующими входами и выходом для телевизионной камеры, а в линию связи введены дополнительные три жилы кабеля для выполнения соединений выхода «сигнал запроса изображения» на компьютере со входом этого сигнала на телевизионной камере, выхода «сигнал готовности изображения» на телевизионной камере со входом этого сигнала на компьютере и выхода «сигнал квитирования изображения» на телевизионной камере со входом этого сигнала на компьютере.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая охранная телевизионная система отличается наличием новых блоков в составе телевизионной камеры, в том числе: пикового детектора, АЦП, формирователя длительности накопления, одновибратора, первого и второго RS-триггеров и элемента «ИЛИ»; наличием в телевизионной камере новых связей между новыми и остальными блоками, а также тремя дополнительными жилами кабеля в линии связи.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
В предлагаемом решении, когда телевизионная камера работает в режиме «TV», осуществляется межкадровое сравнение соседних кадров и ведется в реальном масштабе времени телевизионное наблюдение за обстановкой в контролируемой зоне. При появлении в зоне подвижных объектов телевизионная камера вырабатывает сигнал регистрации движения, а на приемной стороне системы формируется сигнал тревоги. Телевизионная камера автоматически переходит в режим «MONOSHOT». Время накопления фотоприемника для однократного формирования сигнала изображения (телевизионного снимка) устанавливается автоматически и является оптимальным по критерию отношения сигнал/шум. Видеосигнал снимка, обладающий повышенной информативностью, записывается в память компьютера и может быть в любое время предоставлен в качестве доказательства произошедшего нарушения.
По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 изображена структурная схема заявляемой охранной телевизионной системы; на фиг.2…3 - временные диаграммы, поясняющие ее работу.
∗
1
Охранная телевизионная система (см. фиг.1) содержит на передающей стороне телевизионную камеру в позиции 1, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных объектива 1-1 и датчика сигналов - ДС 1-2, причем в состав телекамеры 1 также входит пиковый детектор 1-3, АЦП 1-4, формирователь 1-5 длительности накопления, одновибратор 1-6, первый RS-триггер 1-7, второй RS-триггер 1-8 и элемент «ИЛИ» 1-9; линию связи в позиции 2, а на приемной стороне - формирователь 3 сигнала тревоги и компьютер в позиции 4, при этом выход «видео» (обозначен «LV») ДС 1-2 подключен к информационному входу детектор 1-3, управляющий вход которого объединен со входом одновибратора 1-6 и входами «S» RS-триггеров 1-7 и 1-8 и подключен к выходу «сигнал регистрации движения» (обозначен «RM») ДС-1-2, а выход детектора 1-3 подключен к информационному входу АЦП 1-4, выход которого подключен к установочному входу формирователя 1-5, разрешающий вход которого подключен к выходу одновибратора 1-6, управляющий вход формирователя 1-5 подключен к инверсному выходу RS-триггера 1-7, тактовый вход формирователя 1-5 объединен с тактовым входом АЦП 1-4 и подключен к выходу «сигнал строчных синхроимпульсов» (обозначен «HD out)
1
∗
( Здесь и далее знак «» означает, что данные логические сигналы являются активными на низком уровне),
∗
∗
∗
∗
а выход формирователя 1-5 подключен к входу «R» RS-триггера 1-7 и соответственно к входу «сигнал накопления кадра» (обозначен «FI») ДС 1-2, вход «сигнал запроса изображения» (обозначен «IRQ») которого подключен ко входу «R» RS-триггера 1-8, инверсный выход которого подключен к первому входу элемента «ИЛИ» 1-9, второй вход которого подключен к выходу одновибратора 1-6, а выход элемента «ИЛИ» 1-9 - ко входу «выбор режима работы» (обозначен «MS*») ДС 1-2, при этом выходы ДС 1-2, в том числе: выход «LV», выход «сигнал готовности изображения» (обозначен «IRDY»), выход «сигнал квитирования изображения» (обозначен «IACK»), которые являются и соответствующими выходами телевизионной камеры 1, подключены через три жилы кабеля линии связи 2 ко входам этих сигналов на компьютере 4, выход сигнала «IRQ» которого подключен через четвертую жилу кабеля линии связи 2 к соответствующему входу телевизионной камеры 1 и ко входу сигнала этого наименования для ДС1-1, а по пятой жиле кабеля линии связи 2 на вход формирователя 3 сигнала тревоги транслируется с выхода телевизионной камеры сигнал «RM», который сформирован на одноименном выходе ДС 1-2.
Пиковый детектор 1-3 и АЦП 1-4 могут быть выполнены на основе операционных усилителей и линейных интегральных микросхем (см., например, [5]).
Формирователь 1-5 длительности накопления может быть выполнен на основе многокаскадного объединения двоичных счетчиков, например, отечественных микросхем К561ИЕ11 (см. [6, с.238]). Установочный вход формирователя 1-5 эквивалентен входам предварительной записи-установки S0-S3 счетчика, разрешающий вход - входу разрешения этой операции SE, управляющий вход - входу переноса , тактовый вход - входу такта С, а выход - выходу переноса . Предлагается, 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 1-5 имеют активное напряжение низкого уровня.
Одновибратор 1-6 может быть выполнен с использованием ждущего мультивибратора микросхемы К564АГ1(см. [6, с.282]).
Каждый из блоков 1-7 и 1-8 в отдельности является логическим триггерным устройством RS-типа с высоким активным уровнем напряжения на входах управления.
Элемент «ИЛИ» 1-9 является логическим устройством однозначного понятия.
В качестве блока 4 может быть использован компьютер, в котором установлена плата тюнера AVerTV 307 [4], процессор Pentium III (или лучше) и операционная система Windows XP/98SE/ME.
Охранная телевизионная система (см. фиг.1) работает следующим образом. При изложении воспользуемся эпюрами, приведенными на фиг.2-3.
При включении питания телевизионная система по умолчанию начинает работать в режиме «TV». Телевизионная камера 1, выполняя межкадровое сравнение соседних кадров, одновременно осуществляет в реальном масштабе времени наблюдение за охраняемой зоной.
∗
∗
∗
В режиме «TV» на входе «выбор режима работы» («MS ») датчика 1-2 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 «сигнал квитирования изображения» («IACK») и на выходе «сигнал регистрации движения» («RM»).
Первый RS-триггер 1-7 и второй RS-триггер 1-8 находятся в состоянии «0».
∗
Поэтому на инверсном выходе RS-триггера 1-7 поддерживается логическая «1», а формирователь 1-5 заблокирован по управляющему входу высоким логическим уровнем и не считает строчные синхроимпульсы HD out.
На выходе «видео» («LV») датчика 1-2, а следовательно, и на выходе «видео» телевизионной камеры 1 формируется композитный видеосигнал по телевизионному стандарту.
Сигнал изображения матрицы ПЗС имеет линейную шкалу уровня в зависимости от освещенности (γ=1), и предполагается, что по выходу «LV» исключено воздействие автоматической регулировки усиления (АРУ).
Отметим, что эти признаки являются необходимым условием для предлагаемого решения телевизионной системы.
Предлагается также, что в компьютере 4 в свободный PCI-слот на материнской плате установлена плата тюнера, например, AVerTV 307 [4].
При этом в компьютере 4 при включении телевизионной системы запускается программа AVerTV, а в ее приложении «Режим видео» в качестве источника видео выбирается композитный вход.
Композитный видеосигнал по телевизионному стандарту с выхода «LV» транслируется по линии связи 2 на приемную сторону телевизионной системы, а далее поступает в компьютер 4 на низкочастотный вход тюнера. Оператор телевизионной системы по изображению на экране компьютера 4 ведет мониторинг обстановки на охраняемой территории.
0
Пусть в момент t очередной результат межкадрового сравнения в в датчике ДС 1-2 телевизионной камеры 1 фиксирует появление нарушителя. Тогда на ее выходе «сигнал регистрации движения» («RM») появляется кратковременный импульс положительной полярности (см. фиг.2а), который по линии связи 2 транслируется на вход формирователя 3. В результате на приемной стороне телевизионной системы обеспечивается звуковая и световая сигнализация тревоги.
Одновременно в самой телевизионной камере 1 импульс на выходе «RM» датчика ДС 1-2 переводит RS-триггеры 1-7 и 1-8 в состояние «1», выполняет сброс пикового детектора 1-3 и производит запуск одновибратора 1-6.
0
1
Одновибратор 1-6 формирует на выходе импульсный сигнал (см. фиг.2б), длительность которого t…t является интервалом разрешения операции предварительной записи-установки в счетчики формирователя 1-5.
0
1
В течение интервала t…t пиковый детектор 1-3 измеряет текущее значение видеосигнала. Постоянное напряжение с выхода пикового детектора 1-3 преобразуется далее в АЦП 1-4 из аналоговой формы в цифровую и подается на установочные входы счетчиков формирователя 1-5.
1
К моменту t (см. фиг.2б) запись-установка этого числа в счетчики формирователя 1-5 должна закончиться.
1
∗
Начиная с момента t, на выходе элемента «ИЛИ» 1-9, а следовательно, и на входе «MS» датчика ДС 1-2 устанавливается уровень логического «0».
1
0
Благодаря этому с момента t телевизионная камера 1 переходит в режим «MONOSHOT». Дополнительно отметим, что с момента t на управляющем входе формирователя 1-5 присутствует низкий логический уровень, т.е. блокировка по этому входу снята.
1
Счетчики формирователя 1-5 подсчитывают приращение данных, а на его выходе, начиная с момента t, устанавливается низкий логический уровень (см. фиг.2г или фиг.2е). Поэтому датчик ДС 1-2 переходит в состояние длительного накопления информационных зарядов.
Длительность накопления в датчике устанавливается оптимальной по критерию максимума отношения сигнал/шум для видеосигнала выполняемого снимка изображения, что достигается предварительной калибровкой телевизионной камеры (см. ниже).
2
После окончания накопления зарядов в датчике ДС 1-2 (см. момент t на фиг.3а) производится сброс счетчиков формирователя 1-5 и установка RS-триггера 1-7 в состояние «0», а следовательно, возобновление блокировки формирователя 1-5 по управляющему входу.
∗
В счетчиках формирователя 1-5 устанавливается нулевое число, а датчик ДС 1-2 переходит в состояние «ненакопления», т.к. на его входе «FI», начиная с этого момента, формируется высокий логический уровень.
Далее, как в прототипе, на фотозатвор матрицы ПЗС 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 ДС 1-2 будет сформирован одиночный импульс (см. фиг.3б) - 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, уставленной в блоке сопряжения интерфейса, вырабатывается выходной сигнал запроса изображения (см. фиг.3г), который по линии связи 2 поступает на вход «IRQ» датчика ДС 1-2 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.3в), начинается считывание зарядового рельефа информационного кадра, которое продолжается в течение интервала t…t. В результате на выходе «видео» («LV») датчика 1-2, а следовательно, и на выходе «видео» телевизионной камеры 1 формируется видеосигнал одиночного кадра (см. фиг.3е). Отметим, что длительность этого сигнала, с учетом кадрового гасящего импульса, составляет Т и соответствует периоду полукадров по телевизионному стандарту.
3
4
Параллельно с видеосигналом одиночного кадра на выходе «IACK» датчика ДС 1-2 вырабатывается одиночный положительный импульс - сигнал квитирования (подтверждения) изображения (см. фиг.3д), длительность которого составляет интервал (t…t).
Далее сигналы «LV» и «IACK» транслируются по линии связи 2 на приемную сторону телевизионной системы, а там поступают в компьютер 4.
3
4
Приходящий сигнал «IACK» обеспечивает автоматический переход в работающей компьютерной программе AVerTV в закладку «Снимок». Поэтому в интервале (t…t) выполняется запись видеосигнала одиночного кадра («LV»), а затем его сохранение в папке компьютерной памяти.
5
∗
∗
В момент t (см. фиг.3г) низкий уровень в сигнале «IRQ» заканчивается. Возникающий положительный перепад напряжения устанавливает RS-триггер 1-8 в состояние «0». В результате высокий логический уровень напряжения поддерживается на входе «MS» датчика ДС 1-2, а телевизионная камера 1 из режима «МОNOSНОТ»возвращается в режим «TV».
Вернемся к вопросу реализации оптимального накопления информационных зарядов в датчике ДС 1-2 в режиме «MONOSHOT».
Для этого выполняется калибровка телевизионной камеры.
макс
Сначала телевизионная камера 1 должна работать в режиме «TV». Перед объективом 1-1 устанавливается тест-таблица, а ее освещенность в белом Е обеспечивает максимальный размах видеосигнала, формируемого датчиком ДС 1-2, 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 1-5, 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 Е будет меньше, чем Е, то при достижении максимального числа счета выходной импульс переноса появится позже, в момент t (см. фиг.2в), а длительность накопления ПЗС составит (tt)>Т.
2
1
3
1…
3
Если освещенность объекта съемки снизить еще, т.е. Е<Е, то пропорционально позднее, в момент t (см. фиг.2д), появится импульс переноса, а длительность накопления (tt) соответственно увеличится.
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 1-5 для датчика ДС 1-2.
По сравнению с аналогом [1], в заявляемой охранной телевизионной системе в момент нарушения выполняется телевизионное фотографирование контролируемого пространства с экспозицией, обеспечивающей для снимка изображения повышенное отношение сигнал/шум.
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. Решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке 2010120340(028896) от 06.04.2011. МПК H04N 5/00. Телевизионное устройство для обнаружения подвижных объектов / В.М.Смелков.
2. 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.
3. Руководство пользователя по камере iMC 500. Изготовитель - фирма i2S (Франция), 1987.
4. Руководство по быстрой установке продукта Aver TV 307 от компании AverMedia TECHNOLOGIES, Inc. (Тайвань).
5. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. / Перевод с англ. - М.: «Мир», 1985.
6. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Челябинск. «Металлургия», 1988.