ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА И ЕЁ "КОЛЬЦЕВОЙ" ФОТОПРИЁМНИК ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПАНОРАМНОГО НАБЛЮДЕНИЯ
TELEVISION CAMERA AND ITS "RING" PHOTODETECTOR FOR COMPUTER SYSTEM OF PANORAMIC SURVEILLANCE

Предлагаемая группа изобретений относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной 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 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 телевизионная камера состоит из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и датчика цифрового телевизионного сигнала, который содержит в своем составе последовательно расположенные и связанные твердотельный фотоприемник и блок фотоприемника, причем телевизионная камера формирует «кольцевой» растр изображения, а ее «кольцевой» фотоприемник выполнен по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и имеет кристалл мишени в виде кругового кольца, а блок фотоприемника обеспечивает развертку аналогового видеосигнала и формирование на выходе телевизионной камеры цифрового телевизионного сигнала, при этом «кольцевой» фотоприемник содержит на общем кристалле фотоприемную область, «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся преобразователем «заряд - напряжение» (БПЗН), причем 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, при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров k, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:
г
где γ - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем.
Для прототипа предполагается, что кристалл «кольцевого» фотоприемника выполнен из кремния. БПЗН «кольцевого» фотоприемника организован по типу «плавающая диффузионная область» [2], а поэтому имеет управляющий вход, обеспечивающий поэлементный сброс напряжения формируемого видеосигнала. Блок фотоприемника содержит блок «кольцевой» развертки видеосигнала, а также соединенные последовательно сигнальный процессор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области «кольцевого» фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки - к управляющему входу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, пятый выход блока «кольцевой» развертки - к тактовому входу АЦП.
Недостаток телевизионной камеры прототипа - переменная величина разрешающей способности изображения в пределах кадра, изменяющаяся в сторону уменьшения по направлению к внешней периферии «кольцевого» фотоприемника из-за увеличивающейся величины зазора между его светочувствительными элементами, которые имеют одинаковый показатель по геометрической площади.
Задачей изобретения является выравнивание разрешающей способности изображения телевизионной камеры путем реализации в «кольцевом» фотоприемнике различной по площади светочувствительных элементов и управления зарядовым считыванием в видеосигнале сенсора с одинаковой величиной площади апертуры.
r
Поставленная задача в заявляемой телевизионной камере для компьютерной системы панорамного наблюдения решается тем, что в камеру прототипа [1], формирующую «кольцевой» растр изображения, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и «кольцевого» фотоприемника, а также блока «кольцевой» развертки видеосигнала и соединенных последовательно сигнального процессора и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), причем информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области «кольцевого» фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки - к управляющему входу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, пятый выход блока «кольцевой» развертки - к тактовому входу АЦП, введен блок формирования апертуры (БФА), информационный вход которого подключен к шестому выходу блока «кольцевой» развертки, синхронизирующий вход БФА - к седьмому выходу блока «кольцевой» развертки, а выход БФА - к управляющему входу блока «кольцевой» развертки, при этом период управляющих импульсов T, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением:
p
где T - период считывания элемента в «кольцевом» фотоприемнике;
m
n - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике равна отношению:
1
где Δ - площадь светочувствительного элемента для первой строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике;
m
Δ - площадь светочувствительного элемента для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике.
Поставленная задача в заявляемом «кольцевом» фотоприемнике для заявляемой телевизионной камеры решается тем, что «кольцевой» фотоприемник прототипа, выполненный по технологии ПЗС, который имеет кристалл мишени в виде кругового кольца и содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область, «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся 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, вносятся следующие конструкторско-технологические изменения, а именно: на фотоприемной области площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов от строки к строке различны, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига, при реализации в выходном видеосигнале сенсора одинаковой площади считывающей апертуры.
Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемое устройство телевизионной камеры для компьютерной системы панорамного наблюдения отличается тем, что в ее «кольцевом» фотоприемнике светочувствительные элементы имеют геометрическую площадь, которая монотонно увеличивается по радиали в направлении к внешней периферии. При этом при помощи вводимого в состав телевизионной камеры БФА реализуется одинаковый показатель площади считывающей апертуры сенсора, что обеспечивает одинаковую чувствительность сенсора по всей его мишени и без внесения шумовых потерь для видеосигнала, а также осуществляется выравнивание параметра разрешающей способности изображения в пределах всего «кольцевого» телевизионного кадра.
Совокупность известных и новых признаков для заявляемого устройства не известна из уровня техники, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
Выравнивание разрешающей способности изображения выполняется в «кольцевом» растре изображения. Поэтому данное техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемой телевизионной камеры в составе компьютерной системы панорамного наблюдения; на фиг. 2 приведена схемотехническая организации заявляемого «кольцевого» фотоприемника телевизионной камеры; на фиг. 3 показан фрагмент этого фотоприемника, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 4, по данным [2, с. 19], представлена структурная схема БПЗН с организацией «плавающая диффузионная область»; на фиг. 5 изображена эпюра выходного сигнала БФА, который выполняет управление апертурой заявляемого «кольцевого» сенсора; на фиг. 6, по данным [3], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива.
r
Заявляемая телевизионная камера 1 (см. фиг. 1) содержит последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив 1-1 и «кольцевой» фотоприемник 1-2; блок 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала, соединенные последовательно сигнальный процессор 1-4 и АЦП 1-5, а также БФА 1-6, причем заявляемый «кольцевой» фотоприемник 1-2 имеет форму кругового кольца из кремния, (см. фиг. 2…3), у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области 1-2-1 расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига 1-2-2, оканчивающемуся БПЗН 1-2-3, а число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области 1-2-1 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-2, причем площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов фотоприемной области 1-2-1 от строки к строке различны, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига 1-2-2, при этом информационный вход сигнального процессора 1-4 подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника 1-2, первый выход блока 1-3 - к управляющим входам фотоприемной области 1-2-1 «кольцевого» фотоприемника, второй выход блока 1-3 - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига 1-2-2 «кольцевого» фотоприемника, третий выход блока 1-3 - к управляющему входу БПЗН 1-2-3 «кольцевого» фотоприемника, четвертый выход блока 1-3 - к входу синхронизации сигнального процессора 1-4, пятый выход блока 1-3 - к тактовому входу АЦП 1-5, шестой выход блока 1-3 - к информационному входу БФА 1-6, седьмой выход блока 1-3 - к синхронизирующему входу БФА 1-6, выход которого подключен к управляющему входу блока 1-3, при этом период управляющих импульсов T, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением (2).
Заявляемая телевизионная камера 1, содержащая заявляемый «кольцевой» фотоприемник 1-2, используется в составе компьютерной системы панорамного наблюдения, например в составе компьютерной системы прототипа [1], которая см. фиг. 1, содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и сервер 2, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров в позиции 3, при этом на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, выполняющая программным путем запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера и преобразование «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров k, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1).
Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры, как и в прототипе, предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора (кольцевого изображения). В качестве технического решения для панорамного объектива 1-1, совпадающего с аналогичным решением для прототипа, может быть предложен панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами [3].
Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75-80) градусов по углу места. Наличие пассивной (неинформативной) области в центре оптического кадра панорамного объектива, см. фиг. 6, подтверждает целесообразность выбора формы фотоприемника 1-2, как и в прототипе, в пользу кругового кольца.
Блок 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала, сигнальный процессор 1-4 и АЦП 1-5 выполнены с использованием комплекта специализированных микросхем высокого уровня интеграции и ничем не отличаются от блоков такого же наименования у прототипа.
Для заявляемого «кольцевого» фотоприемника 1-2 электроды переноса на фотоприемной области 1-2-1 и в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-2 могут быть выполнены с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца. Несомненно, что это предоставит и определенные преимущества при изготовлении «кольцевого» фотоприемника по технологии ПЗС.
Следует отметить, что при использовании компьютерной системы панорамного наблюдения в охранных целях, где вполне приемлемо черно-белое изображение сцены, разумно кристалл «кольцевого» фотоприемника 1-2 телевизионной камеры выполнить не на основе кремния, а на основе полупроводника из арсенида галлия. Тогда физически реально достигнуть красной границы спектральной характеристики 1,7 мкм и даже 2,2 мкм, не применяя принудительное охлаждение кристалла фотоприемника [4, с. 113], а в результате получить существенный выигрыш в чувствительности телевизионной камеры, а следовательно, и компьютерной системы в целом.
ф1
ф2
ф3
вых з
вых
сбр
На фиг. 4 показана возможная структурная схема БПЗН «кольцевого» фотоприемника с организацией «плавающая диффузионная область», которая полностью совпадает со схемой, применяемой в настоящее время в матрицах ПЗС для реализации прямоугольной развертки видеосигнала. На этом чертеже приняты следующие обозначения: U, U, U - напряжения на шинах для трехфазного управления «кольцевым» регистром сдвига 1-2-2; U - напряжение на выходном затворе; Д, Д - выходной и сбрасывающие диоды соответственно.
сбр
Перед считыванием информационного заряда очередного элемента (пиксела) в процессе его преобразования в напряжение видеосигнала информационный заряд предыдущего элемента должен быть сброшен в стирающий диод Д.
r
Эта процедура осуществляется при помощи управляющих импульсов T, называемых часто в литературе импульсами сброса, которые подаются на соответствующую шину управления БПЗН 1-2-3.
Блок формирования апертуры (БФА) 1-6 предназначен для управления считывающей апертурой в «кольцевом» фотоприемнике 1-2 при поэлементном съеме напряжения видеосигнала в БПЗН 1-2-3. В результате для всех строк фотоприемника обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры при различной от строки к строке площади электродов светочувствительных элементов сенсора.
r
c1
cn
Эпюра выходного сигнала T, вырабатываемая на выходе БФА 1-6, представлена на фиг. 5. Предполагается, что фотоприемник 1-2 содержит n «кольцевых» строк. На этой диаграмме первая строка обозначена как T, а последняя строка - как T.
Управляющие импульсы имеют положительную полярность, малую (короткую) длительность и различный период следования в пределах каждой из «кольцевых» строк.
r1
r n
r1
p
r n
r
Период управляющих импульсов для первой «кольцевой» строки обозначен T, а период управляющих импульсов для последней «кольцевой» строки - T. Период T является самым малым и равен периоду считывания элемента T, а период считывания T - самым большим, который равен nT.
В физическом плане управление площадью апертуры осуществляется за счет суммирования зарядовых пакетов в соседних элементах каждой текущей «кольцевой» строки сенсора до выполнения процедуры преобразования «заряд - напряжение». Поэтому это зарядовое сложение не может быть дополнительным источником шумов для видеосигнала на выходе телевизионной камеры.
БФА 1-6 на практике может быть реализован с использованием классического набора технических средств (логических элементов) цифровой электроники. Очевидно, что БФА 1-6 может быть выполнен в составе блока 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала телевизионной камеры.
Заявляемые устройства, а именно: телевизионная камера и ее «кольцевой» фотоприемник (см. фиг. 1…3) - работают следующим образом.
Как и в прототипе [1], предполагается, что телевизионная камера 1 установлена в фиксированное положение, например, при помощи фотоштатива (на фиг. 1 он не показан).
Фотоприемник 1-2 телевизионной камеры (см. фиг. 2…3) 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.
Блок формирования апертуры (БФА) 1-6 управляет работой «кольцевого» фотоприемника по входу «Импульсы сброса» для БПЗН 1-2-3 (см. фиг. 4). В результате этого управления для всех строк фотоприемника обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры, что гарантирует одинаковую чувствительность для всех элементов (пикселов) мишени, а также эквивалентно реализации одних и тех же пространственных зазоров между соседними пикселами мишени.
Напряжение аналогового видеосигнала «кольцевого» фотоприемника формируется на выходе БПЗН 1-2-3 (см. клемму «Точка съема видеосигнала», показанную на фиг. 4). Очевидно, что таким образом для него обеспечено выравнивание разрешающей способности по всей мишени «кольцевого» изображения.
Затем, как и в прототипе, сформированный аналоговый видеосигнал преобразуется при помощи сигнального процессора 1-4 и АЦП 1-5 в цифровой телевизионный сигнал (ЦТС) «кольцевого» кадра на выходе телевизионной камеры.
Далее ЦТС по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на сервер 2 компьютерной системы, где выполняется запись видеоинформации в его оперативную память на кадр.
г
Предположим, что, как и в прототипе [1], горизонтальный угол поля зрения (γ) предъявляемого оператору изображения должен составлять 60°. Тогда одна шестая часть каждой «кольцевой» строки из «кольцевого» кадра записывается в сервере 2 соответственно в один из шести массивов оперативной памяти на кадр.
Как и в прототипе, в сервере 2 при помощи элемента БПКП, реализующего возложенные на него функции программным путем, осуществляется операция считывания видеосигнала, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» сервера 2.
В результате цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в k «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности операторам персональных компьютеров 3 локальной вычислительной сети. В нашем примере эта последовательность содержит 6 различных изображений, а оператор каждого персонального ноутбука 3 может осуществить селекцию предлагаемого сервером 2 изображения и его вывод на экран дисплея.
Очевидно, что в предлагаемых операторам «прямоугольных» кадрах будет поддержано программным путем реализованное в «кольцевых» кадрах телевизионной камеры выравнивание разрешающей способности изображения.
В настоящее время все элементы структурной схемы устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2545519. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения и организация фотоприемника для его реализации / В.М. Смелков // БИ - 2015. - №10.
2. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. - Радио и связь, 1986.
3. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // БИ - 2002. - №20.
4. Цыцулин А.К. Телевидение и космос: Учебное пособие / Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003.