Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения
COMPUTER SYSTEM DEVICE FOR PANORAMIC TELEVISION SURVEILLANCE

Предлагаемое изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной системой при помощи телевизионной камеры, обеспечивающей одновременно или последовательно круговой обзор в четырех шаровых слоях окружающей сферической области пространства. При этом для каждого из этих шаровых слоев телевизионный контроль ситуации в реальном масштабе времени осуществляется в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места. Сенсорный блок этой телевизионной камеры состоит из изготовленных по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП) двух фотоприемников, которые имеют форму мишени в виде кругового кольца.
m
m
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 в состав телевизионной камеры входит первый панорамный объектив, второй панорамный объектив, третий панорамный объектив, четвертый панорамный объектив; сенсорный блок, содержащий первый фотоприемник и второй фотоприемник, которые имеет форму кругового кольца, причем первый панорамный объектив оптически связан с мишенью первого фотоприемника, а второй панорамный объектив - с мишенью второго фотоприемника, причем каждый из двух фотоприемников сенсорного блока выполнен на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, причем его мишень состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K, а также встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки фотоприемника, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в фотоприемнике, а количество «радиальных» шин видео - число пикселов в каждой строке фотоприемника, при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: «кольцевой» регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор «кольцевой» строки; «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого «радиального» столбца, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора строчной развертки и обеспечивают передачу видеосигнала на выходе каждой «радиальной» шины видео на «кольцевую» шину видео, выход которой является выходом «видео» фотоприемника, причем коэффициент усиления K активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки фотоприемника изменяется по соотношению:
1
m
1
где Δ и Δ - соответственно светочувствительная площадь активного пиксела для первой и текущей «кольцевой» строки считывания в «кольцевом» сенсоре, а Κ - коэффициент усиления активного пиксела первой «кольцевой» строки, а величина его показателя равна единице, обеспечивая одинаковую величину считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения, причем на кристаллах обоих фотоприемников сенсорного блока имеется разрез (сквозной шлиц), выполненный в радиальном направлении от воображаемого центра кольца к его внешней периферии, в расположение между первым и последним пикселами первой «кольцевой строки, при этом первый фотоприемник установлен в консольное соединение со вторым фотоприемником в шлиц под углом 90°, при этом выход первого фотоприемника сенсорного блока подключен к первому информационному входу мультиплексора, а выход второго фотоприемника - ко второму информационному входу мультиплексора, выход которого является выходом «видео» телевизионной камеры; на материнской плате сервера установлена плата видео, выполняющая последовательно дважды демультиплексирование входного цифрового телевизионного сигнала на два канала с последующей записью каждого из «кольцевых» видеосигналов в соответствующую оперативную память сервера и последовательное преобразование каждого из «кольцевых» кадров записи в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров n, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:
где  - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем.
Недостаток прототипа - потери светочувствительных элементов (пикселов) в обоих фотоприемниках за счет консольного соединения их между собой путем разреза по методу сквозного шлица.
Задачей изобретения является отказ от консольного соединения фотоприемников между собой, выполняемого путем разреза по методу сквозного шлица, и устранение сопутствующих потерь пикселов в каждом из сенсоров при сохранении возможности мониторинга видеоинформации панорамного сюжета в четырех слоях окружающего пространства.
1
Дополнительно решаемой задачей изобретения является снятие ограничения на коэффициент усиления активного пиксела K для первой строки каждого из двух фотоприемников (в прототипе его величина равна единице), целью реализации потенциальной возможности ручной или автоматической регулировки чувствительности фотоприемников телевизионной камеры в зависимости от освещенности объектов панорамного сюжета.
m
m
1
Поставленные задачи в заявляемом устройстве системы панорамного телевизионного наблюдения решаются тем, что, как и в устройстве прототипа [1], содержащем последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, при этом в состав телевизионной камеры входит первый панорамный объектив, второй панорамный объектив, третий панорамный объектив, четвертый панорамный объектив; сенсорный блок, содержащий первый фотоприемник и второй фотоприемник, каждый из которые имеет форму кругового кольца, причем первый панорамный объектив оптически связан с мишенью первого фотоприемника, а второй панорамный объектив - с мишенью второго фотоприемника, причем каждый из двух фотоприемников сенсорного блока выполнен на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, причем его мишень состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K, а также встроенный АЦП, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки фотоприемника, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в фотоприемнике, а количество «радиальных» шин видео - число пикселов в каждой строке фотоприемника, при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: «кольцевой» регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор «кольцевой» строки; «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого «радиального» столбца, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора строчной развертки и обеспечивают передачу видеосигнала на выходе каждой «радиальной» шины видео на «кольцевую» шину видео, выход которой является выходом «видео» фотоприемника, причем коэффициент усиления K активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки фотоприемника изменяется по соотношению (1); при этом в состав сенсорного блока телевизионной камеры входят шарикоподшипник, джойстик и мультиплексор, причем выход первого фотоприемника подключен к первому информационному входу мультиплексора, а выход второго фотоприемника - ко второму информационному входу мультиплексора, выход которого является выходом «видео» телевизионной камеры; на материнской плате сервера установлена плата видео, выполняющая последовательно дважды демультиплексирование входного цифрового телевизионного сигнала на два канала с последующей записью каждого из «кольцевых» видеосигналов в соответствующую оперативную память сервера и последовательное преобразование каждого из «кольцевых» кадров записи в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров n, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (2), но при этом, в отличие от прототипа [1], в телевизионную камеру введена оправа, в которой размещаются шарикоподшипник и оба фотоприемника, стыкуясь между собой обратными сторонами кристаллов; а джойстик, механически связанный с оправой, осуществляет при помощи шарикоподшипника плавный пространственный поворот оправы на угол 90° так, что при этом действии мишень первого фотоприемника будет устанавливаться в положение напротив третьего панорамного объектива, а мишень второго фотоприемника будет устанавливаться в положение напротив четвертого панорамного объектива, а при последующем действии рычага (рукоятки) джойстика оправа с фотоприемниками возвращается в начальное (исходное) положение, при этом величина коэффициента усиления активного пиксела K для первой строки каждого из двух фотоприемников сенсорного блока телевизионной камеры может быть равна единице или больше ее, обеспечивая одинаковую величину считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения в режиме организации ручной или автоматической регулировки чувствительности фотоприемников в зависимости от освещенности объектов наблюдения панорамного сюжета.
Совокупность известных и новых признаков для заявляемого устройства не известна из уровня техники, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
Важно отметить следующее. Светочувствительная площадь пикселов «кольцевой» мишени для каждого из двух фотоприемников сенсорного блока, как и для прототипа [1], от строки к строке различна. Это вызывается необходимостью для «кольцевого» фотоприемника, имеющего одинаковое число пикселов в каждой строке, выравнивания разрешающей способности в пределах кадра путем обеспечения одинаковой величины технологического зазора между светочувствительными элементами вдоль каждой «кольцевой» строки.
Но при этом в заявляемом решении, как и в прототипе [1], не происходит межстрочного нарушения чувствительности сенсора по следующим обстоятельствам.
m
m
Параметр считывающей апертуры для всех пикселов каждой текущей строки «кольцевого» кадра определяется произведением коэффициента усиления K пиксела на величину его светочувствительной площади Δ.
Как следует из соотношения (1), этот показатель остается постоянным (неизменным) для всех светочувствительных пикселов фотоприемника.
Не меняется и величина шумовой «дорожки» для каждого активного пиксела фотоприемника, что является обязательным условием реализации его высоких показателей по чувствительности и отношению сигнал/шум.
Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1а) приведена структурная схема заявляемой компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения и на этом же чертеже -структурная схема телевизионной камеры в ее составе, реализующая пространственный мониторинг одновременно в левом и в правом слоях окружающего пространства; на фиг. 16) - структурная схема заявляемой компьютерной системы и соответственно структурная схема телевизионной камеры, реализующая пространственный мониторинг одновременно в верхнем и нижнем слоях окружающего пространства; на фиг. 2 приведена схемотехническая организация для первого «кольцевого» фотоприемника (организация для второго фотоприемника совершенно аналогична); на фиг. 3 - подробности организации применительно к отдельно взятому «радиальному» столбцу первого фотоприемника (для второго фотоприемника она совершенно аналогична); на фиг. 4, по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи панорамного объектива.
Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, см. фиг. 1а) и фиг. 16), содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и сервер 2 (с установленной в нем платой видео), являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров в позиции 3, при этом в состав телевизионной камеры 1 входит первый панорамный объектив 1-1, второй панорамный объектив 1-2, третий панорамный объектив 1-3 и четвертый панорамный объектив 1-4, а также сенсорный блок 1-5, содержащий первый «кольцевой» фотоприемник 1-6, второй «кольцевой» фотоприемник 1-7, оправа 1-8, джойстик 1-9, шариковый подшипник 1-10 и мультиплексор 1-11; при этом фотоприемник 1-6 и фотоприемник 1-7 размещены в оправе 1-8, стыкуясь между собой обратными сторонами кристаллов; джойстик 1-9 механически связан с оравой 1-8, а рукоятка (рычаг) джойстика 1-9 обеспечивает при помощи шарикового подшипника 1-10 плавный поворот оправы 1-8 с фотоприемниками на угол 90° относительно исходного (начального) положения; при последующем действии рычага джойстика оправа 1-8 с фотоприемниками реализует плавный поворот назад на тот же угол 90°.
Джойстик 1-9 размещается в пассивной области каждого из двух фотоприемников. Отметим, что джойстик 1-9 на фиг. 1а) и фиг. 16) условно изображен в виде двойной фигурной стрелки.
Здесь следует рассмотреть значение слова «джойстик», которое употребляется в настоящей заявке на изобретение.
Традиционно термин джойстик (англ. joystik) понимается как устройство ввода информации в персональный компьютер, которое представляет собой качающуюся в двух плоскостях «игровую палочку» или «рычаг для игры» вертикальную ручку. Основная необходимость применения компьютерного джойстика - это возможность управления виртуальным объектом в виртуальном трехмерном пространстве (координаты по осям «Χ-Υ-Ζ»).
Однако этот рычаг давно уже применяется в самых разнообразных приборах, в том числе и в санитарно-технической водоразборной арматуре -смесителях для кухонь и ванных. Так называемые шарнирные краны (смесители) имеют вместо привычных для нас двух поворотных рукояток всего один рычаг поворота, он же джойстик.
Такое употребление термина «джойстик» в качестве механического рычага оказывается наиболее близким и в настоящей заявке.
Панорамные объективы 1-1 и 1-2 и соответственно панорамные объективы 1-3 и 1-4 предназначены для формирования оптических изображений кругового обзора для четырех противоположно расположенных шаровых слоев контролируемого пространства, например для направления взгляда телевизионного оператора, это может быть соответствующее пространство сверху и снизу или спереди и сзади от него.
В качестве технического решения для панорамных объективов 1-1, 1-2, 1-3 и 1-4, совпадающего с аналогичным решением для прототипа [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.
«Кольцевой» фотоприемник 1-6, как и «кольцевой» фотоприемник 1-7, (см. фиг. 2) выполнен по технологии КМОП и содержит на общем кристалле «кольцевую» фотоприемную область (мишень) 1-6-1 или в позиции 1-7-1 для фотоприеиника 1-7; «кольцевой» регистр 1-6-2 кадровой развертки или в позиции 1-7-2 для фотоприемника 1-7; «кольцевой» коммутатор 1-6-3 видеосигналов или в позиции 1-7-3 для фотоприемника 1-7 и «кольцевой» мультиплексор 1-6-4 строчной развертки или в позиции 1-7-4 для фотоприемника 1-7. Отметим, что эта схемотехническая организация полностью повторяет организацию фотоприемников прототипа [1].
Как показано на фиг. 2, активные пикселы на мишени фотоприемника объединены в столбцы, которые расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца.
m
Каждый активный пиксел мишени первого фотоприемника (см. фиг. 3) имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 1-6-1-1, усилитель 1-6-1-2 с коэффициентом усиления K для каждой текущей «кольцевой» строки и АЦП 1-6-1-3.
«Кольцевой» коммутатор 1-6-3 видеосигналов состоит из отдельных коммутаторов 1-6-3-1 видеосигнала, число которых соответствует числу активных пикселов в строке, объединенных «кольцевой» шиной видео 1-6-3-2.
Отметим, что показанная на фиг. 2 форма светочувствительной площади пиксела в виде прямоугольника, а на фиг. 3 - латинской буквы L, - являются условными. На практике электроды зарядового накопления активных пикселов мишени сенсора, совпадающие с площадью их светочувствительной площади, могут быть выполнены совершенно иначе, например, с геометрической формой в виде части кругового кольца.
Видеосигнал с выхода каждого АЦП 1-6-1-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого «радиального» столбца передается на «радиальную» шину видео 1-6-1-5. Далее при помощи «своего» ключевого МОП-транзистора коммутатора 1-6-3-1, управляемого с одного из выходов мультиплексора 1-6-4, цифровой видеосигнал текущего пиксела передается на «кольцевую» шину видео 1-6-3-2, а затем транслируется по ней на выход фотоприемника.
То же самое формирование цифрового видеосигнала происходит и в пределах других радиально расположенных столбцов «кольцевой» мишени 1-6-1 фотоприемника 1-6 сенсорного блока 1-2.
Отметим, что на фиг. 2 пунктирные стрелки показывают управление «кольцевыми» строчными шинами 1-6-1-4 фотоприемника со стороны «кольцевого» регистра 1-6-2 кадровой развертки. То, что здесь, как и на фиг. 3, изображены лишь четыре строчные шины является условностью чертежа. Как отмечалось выше, число шин 1-6-1-4 соответствует показателю действительного числа «кольцевых» строк в предлагаемом фотоприемнике.
Поясним дополнительно на фиг. 2 и другое. Стрелки с непрерывными линиями отмечают передачу сигнала изображения в сенсоре по «радиальным» шинам видео 1-6-1-5 в направлении к «кольцевому» коммутатору 1-6-3 видеосигналов.
В результате в «кольцевом» растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой «кольцевой» строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала фотоприемника.
Благодаря принятой для изготовления предлагаемого датчика видеосигнала технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник с АЦП для каждого активного пиксела, но и блоки цифровой развертки телевизионной камеры. Реализация такого решения обеспечивает существенное снижение общего энергопотребления телевизионной камеры.
Необходимо признать, что концепция матричного (прямоугольного) фотоприемника с активным пикселом, встроенным в него АЦП и цифровым видеосигналом на выходе, который предполагалось выполнить по технологии КМОП путем реализации метода «координатная адресация», была разработана в США в «нулевые» двухтысячные годы.
Об этом сообщалось и в отечественной монографии [3, с. 67, рис. 1.21]. Однако схемотехническая организация на кристалле КМОП «кольцевого» фотоприемника с аналогичными возможностями не предлагалась.
Предлагаемая же здесь «кольцевая» форма мишени КМОП-фотоприемника и блоков развертки позволяет эффективнее использовать полезную площадь используемого кристалла для телевизионно-компьютерного наблюдения панорамных сюжетов.
Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, см. фиг. 1а) и фиг. 16), работает следующим образом.
Пусть в исходном состоянии конструкторское решение сенсорного блока 1-5 в составе телевизионной камеры 1, см. фиг. 1а), реализовано так, что ось визирования первого панорамного объектива 1-1, а, следовательно, и оптическая ось первого фотоприемника 1-6 направлена по горизонтали влево. Тогда ось визирования второго панорамного объектива 1-2, а, следовательно, и оптическая ось второго фотоприемника 1-7 будет ориентирована по горизонтали вправо.
Отметим, что мишень первого фотоприемника 1-6 и мишень второго фотоприемника 1-7 в данной ситуации однозначно занимают положения, которые показаны на чертеже фиг. 1а) линиями из квадратных точек.
Экспонирование «кольцевых» мишеней первого и второго фотоприемников производится непрерывно. Поэтому на первом выходе сенсорного блока 1-5 формируется цифровой видеосигнал «кольцевого» кадра от первого фотоприемника, а на втором выходе сенсорного блока 1-5 -цифровой видеосигнал «кольцевого» кадра от второго фотоприемника.
к
Далее выходные видеосигналы сенсорного блока 1-5 при помощи мультиплексора 1-6 объединяются на одну линию, чередуясь с периодом кадров Т. Полученный мультиплексный цифровой телевизионный сигнал (мультиплексный ЦТС) «кольцевого» кадра, содержащий видеоинформацию в двух шаровых слоях (слева и справа) окружающего пространства, поступает на выход телевизионной камеры.
Затем этот ЦТС по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на сервер 2, где (на плате видео) выполняется его демультиплексирование на два канала с последующей записью видеоинформации каждого канала соответственно в первый и второй блоки оперативной памяти на кадр.
Для получения в телевизионной камере мультиплексного ЦТС в двух других шаровых слоях окружающего пространства необходимо при помощи джойстика 1-9, см фиг. 16), переключить положения мишеней первого и второго фотоприемник на угол 90° в направлении против часовой стрелки.
Отметим, что мишени первого 1-6 и второго 1-7 фотоприемников в данной ситуации однозначно будут занимать новые положения, которые отмечены на чертеже фиг. 16) линиями из квадратных точек, т.е.напротив третьего 1-3 и соответственно напротив четвертого 1-4 панорамных объективов.
В результате, на сервер 2 будет передаваться мультиплексный ЦТС применительно к двум другим шаровым слоям окружающего пространства (снизу и сверху соответственно), где он точно также, как и предыдущий мультиплексный ЦТС, подвергается демультиплексированию на два канала с последующей записью каждого ЦТС соответственно в третий и четвертый блоки оперативной памяти на кадр.
Последовательное преобразование по соотношению (2) в сервере 2 каждого из четырех «кольцевых» кадров записи в «прямоугольные» кадры успешно завершает выполнение задачи последовательного мониторинга видеоинформации для всех четырех шаровых слоев окружающего пространства.
Новое же нажатие рукоятки джойстика 1-9 осуществит поворот оправы 1-8 с фотоприемниками на угол 90° в направлении по часовой стрелке, приводя сенсоры телевизионной камеры 1 в исходное положение и готовность для выполнения нового цикла кругового обзора.
В настоящее время все элементы каждой из структурных схем устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, см. фиг. 1а) и фиг. 16), освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2774399. МПК H04N 5/374, СПК H04N 5/374. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2022. - №18.
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.
3. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К. и 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.