УСТРОЙСТВО ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ
DEVICE FOR PANORAMIC TELEVISION SURVEILLANCE

Предлагаемое изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется телевизионной 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. В качестве одного или более фотоприемников в такой телевизионной камере преимущественно используются матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство 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, волоконнно-оптической насадки и блока цифрового телевизионного сигнала, причем волоконно-оптическая насадка имеет n световодных ответвлений (жгутов), а блок цифрового телевизионного сигнала состоит из n датчиков видеосигнала, мишени каждого из которых состыкованы через волоконно-оптическое сочленение с одним из n жгутов насадки, а выходы подключены к соответствующим входам блока восстановления изображения, выход которого является выходом телевизионной камеры, при этом число n соответственно жгутов насадки и датчиков видеосигнала удовлетворяет соотношению:
г
где γ - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения.
Недостаток прототипа - большое требуемое число (n) датчиков видеосигнала, а следовательно и матриц ПЗС, для которых недопустимы любые технологические дефекты.
Задача изобретения - сокращение числа датчиков видеосигнала до двух с возможностью использования в них в качестве фотоприемников матриц ПЗС, которые имеют в центральной области мишени технологические дефекты, вызывающие искажения изображения типа «белых пятен».
Поставленная задача решается тем, что в устройство прототипа [1], состоящее из последовательно соединенных телевизионной камеры и сервера, являющегося узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, причем телевизионная камера содержит последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив и волоконно-оптическую насадку, которая имеет световодные ответвления (жгуты), а в ее состав введены первый датчик цифрового телевизионного сигнала (ЦТС), второй датчик ЦТС, синхронизированный по частоте и фазе с первым датчиком ЦТС по сигналу синхронизации приемника (ССП), а также мультиплексор, первый информационный вход которого подключен к выходу первого датчика ЦТС, второй информационный вход мультиплексора - к выходу второго датчика ЦТС, вход синхронизации мультиплексора - к выходу кадровых синхроимпульсов первого датчика ЦТС, а выход мультиплексора является выходом «видео» телевизионной камеры, при этом мишень фотоприемника первого датчика ЦТС состыкована через волоконно-оптическое сочленение с периферийными световодными жгутами волоконно-оптической насадки, а ее центральные световодные жгуты - с мишенью фотоприемника второго датчика ЦТС, в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управления и питанию с шиной сервера, содержащая демультиплексор, а также первый и второй блоки преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), причем вход первого БПКП подключен к выходу первого блока оперативной памяти на кадр, вход второго БПКП - к выходу второго блока оперативной памяти на кадр, а выходы обоих БПКП - к выходу «сеть» сервера, при этом число m «прямоугольных» кадров удовлетворяет соотношению:
г
где γ - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а операции демультиплексирования входного видеосигнала и БПКП выполняются в сервере программным путем.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается:
- наличием новых конструктивных элементов, к числу которых относятся: первый датчик ЦТС, второй датчик ЦТС и мультиплексор в составе телевизионной камеры;
- формой выполнения новых элементов, каковыми являются демультиплексор, первый и второй БПКП, которые реализуются программным путем в составе платы видео сервера.
Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
В заявляемом решении центральная область на мишени фотоприемника первого датчика ЦТС и центральная область на мишени фотоприемника второго датчика являются, по сути, пассивными, т.к. они не создают или не несут информации о наблюдаемом пространстве. Поэтому элементы изображения (пикселы) этой области для применяемых матриц ПЗС могут обладать определенными технологическими дефектами, недопустимыми в других областях мишени данных фотоприемников. Такими дефектами матриц ПЗС могут быть точечные неоднородности темнового тока - одна из форм проявления геометрического шума [2, с. 19-23]. Амплитуда же сигнала точечной неоднородности отдельных пикселов значительно превышает средний уровень темнового тока фотоприемника, что является причиной появления на данном участке растра искажений изображения типа «белых пятен».
В предлагаемом решении матрицы ПЗС, используемые в качестве фотоприемников для датчиков ЦТС, могут обладать в центральной области мишени технологическими дефектами, вызывающими искажения типа «белых пятен», но они никак не проявляются из-за организации самого устройства панорамного телевизионного наблюдения.
Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого устройства; на фиг.2, по данным [3], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг.3 в качестве примера показано сечение в плоскости волоконно-оптической насадки, содержащей 81 световодное ответвление; на фиг.4 - кольцевое изображение, воспринимаемое первым датчиком ЦТС телевизионной камеры; на фиг.5 схематически представлено панорамное изображение этой кольцевой области, предлагаемое оператору персонального компьютера, в виде последовательности из 6-ти «прямоугольных» кадров; на фиг.6 и 7 - кольцевое изображение, воспринимаемое вторым датчиком ЦТС телевизионной камеры и соответственно предлагаемое оператору компьютера панорамное изображение для этой кольцевой области, содержащее аналогично последовательность из 6-ти «прямоугольных» кадров.
Заявляемое устройство панорамного телевизионного наблюдения, 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 телевизионная камера 1 состоит из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива 1-1 и волоконно-оптической насадки 1-2 с ответвлениями, а также первого датчика ЦТС 1-3, второго датчика ЦТС 1-4, синхронизированного с датчиком ЦТС 1-3, и мультиплексора 1-5, первый информационный вход которого подключен к выходу датчика ЦТС 1-3, второй информационный вход мультиплексора - к выходу датчика ЦТС 1-4, вход синхронизации мультиплексора - к выходу кадровых синхроимпульсов датчика ЦТС 1-3, а выход мультиплексора является выходом «видео» телевизионной камеры, при этом мишень фотоприемника датчика ЦТС 1-3 состыкована через волоконно-оптическое сочленение с периферийными световодными жгутами волоконно-оптической насадки 1-2, а ее центральные световодные жгуты - с мишенью фотоприемника датчика ЦТС 1-4, в разъем расширения на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, выполняющая программным путем разделение входного мультиплексного видеосигнала на два канала цифрового сигнала изображения, соответственно «видео 1» и «видео 2», запись этих видеосигналов в оперативную память сервера и преобразование «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры.
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, совпадающим с аналогичным решением для прототипа, может быть предложен панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами из Московского государственного университета геодезии и картографии [3].
Фотография кольцевого изображения, формируемого панорамным объективом, представлена на фиг.2. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75-80) градусов по углу места. Отметим, что центральная область этого кольцевого изображения является пассивной, т.к. не несет никакой информации о наблюдаемом пространстве.
Волоконно-оптическая насадка 1-2 предназначена для выбора областей захвата в плоскости выходного кольцевого изображения панорамного объектива 1-1 и проектирования этих оптических изображений на мишени датчиков 1-3 и 1-4.
Насадка 1-2, как и у прототипа, имеет световодные ответвления. Допустим, что число таких жгутов составляет 81, как показано в сечении волоконно-оптической насадки на фиг.3.
Жгуты этой насадки, в том числе: 1…20, 26…29, 35…38, 44…47, 53…56, 62…81, состыкованы с периферийными участками мишени фотоприемника первого датчика ЦТС 1-3 (см. фиг.4), а остальные жгуты: 21…25, 30…34, 39…43, 48…52, 57…61 - с мишенью фотоприемника второго датчика ЦТС 1-4.
В перспективе может быть разработано и специализированное техническое решение телевизионного панорамного объектива с интегрированной в его конструкцию волоконно-оптической насадкой, т.е. в нем блоки 1-1 и 1-2 выполнены в одном оптическом приборе.
г
г
Мишень фотоприемника первого датчика ЦТС 1-3 должна быть вписана в вертикальный размер оптического кадра панорамного объектива 1-1. Разрешающая способность этого матричного фотоприемника напрямую зависит от горизонтального угла поля зрения наблюдаемого оператором персонального компьютера изображения (γ). Чем меньше величина γ, тем выше требуемое число элементов матрицы по горизонтали и вертикали. Учитывая, что геометрические размеры оптического кадра сегодняшнего панорамного объектива совпадают с размерами кадра стандартной фотопленки, необходимо признать эти требования чрезвычайно высокими.
Современные мегапиксельные матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС) имеют явное ограничение по скорости тактирования фазных электродов выходного регистра: максимальная частота опроса элемента (пиксела) не превышает 40 МГц. Отсюда частота смены кадров наблюдаемого оператором персонального компьютера панорамного изображения должна быть принята значительно ниже 50 Гц, что не всегда допустимо по причине внесения дополнительных искажений видеосигнала при регистрации динамичных сюжетов.
Поэтому актуальным становится режим переменной скорости считывания в матрице ПЗС, предложенный в работе [4, с.103], который позволяет перераспределением частот считывания в пределах одного кадра улучшить качество считывания некоторого фрагмента изображения ценой ухудшения качества считывания остального массива элементов или его участка. Например, этот заведомо необходимый фрагмент изображения считывается с оптимальной скоростью, т.е. активно, а поэтому для него формируется полезный видеосигнал. С другой стороны, заведомо бесполезный участок изображения считывается с максимальной скоростью или пассивно, т.к. это приводит к физическому устранению самого процесса формирования видеосигнала. Такое решение обеспечивает сжатие формируемого видеосигнала путем сокращения полосы передаваемых частот и компромиссное распределение коэффициента сжатия между телевизионной камерой и сервером.
Следует признать и другое условие, а именно: дальнейший рост разрешающей способности матриц ПЗС ограничен производственными возможностями их технологии, которая по многим показателям приближается к физическим пределам.
Однако стремительно развивающаяся технология производства матриц на основе комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (матриц КМОП) вполне может исправить эту ситуацию в ближайшее время, ибо максимально допустимая частота опроса пикселов в этих фотоприемниках уже превзошла отметку 100 МГц [5].
Мишень фотоприемника второго датчика ЦТС 1-4 должна захватывать кольцевое оптическое изображение, которое не используется при формировании видеосигнала фотоприемником первого датчика ЦТС 1-3.
Очевидно, что формат мишени фотоприемника второго датчика ЦТС (по числу пикселов на ее площади) будет меньше формата мишени фотоприемника первого датчика ЦТС при одинаковых геометрических размерах их матричных пикселов.
Мультиплексор 1-5 предназначен для объединения двух видеосигналов на единственную магистраль с помощью разделения по времени. Электрическая схема мультиплексора 1-5 может быть выполнена на операционных усилителях с внешним переменным смещением типа СА3078Т фирмы RCA (США) согласно техническому решению, которое приведено в [6, с. 295]. Формируемый на выходе телевизионной камеры 1 цифровой мультиплексный сигнал изображения, который содержит в качестве составляющих сигналы «видео 1» и «видео 2», полученные соответственно от датчика 1-3 и датчика 1-4.
Функция демультиплексирования (разделения) сигналов «видео 1» и «видео 2» реализуется на плате видео сервера. Там же выполняется и преобразование «кольцевых» кадров изображения, формируемых датчиками 1-3 и 1-4, в «прямоугольные» кадры. Отметим, что операция считывания этих «прямоугольных» кадров включает и коррекцию программным путем геометрических искажений соответствующего участка панорамного изображения
Устройство панорамного телевизионного наблюдения (см. фиг.1) работает следующим образом. Телевизионная камера 1, содержащая панорамный объектив 1-1, волоконно-оптическую насадку 1-2, первый датчик ЦТС 1-3, второй датчик ЦТС 1-4 и мультиплексор 1-5, устанавливается в фиксированное положение, например, при помощи фотоштатива (на фиг.1 он не показан). Допустим, что мишени фотоприемников датчиков 1-3 и 1-4 имеют формат 1:1.
При помощи жгутов насадки 1-2 периферийная часть кольцевого оптического изображения с выхода панорамного объектива 1-1 проецируется на мишень фотоприемника первого датчика 1-3, а центральная часть этого кольцевого изображения - на мишень фотоприемника второго датчика 1-4.
Фотоприемник первого датчика 1-3 формирует аналоговый видеосигнал путем считывания пикселов на мишени, вписанной по высоте на диаметр кольцевого изображения, при этом исключается поэлементное считывание на площади участка мишени, расположенного внутри этой мишени. На фиг.4 пассивная область мишени отмечена компьютерной заливкой-штриховкой от центра.
Мишень фотоприемника второго датчика 1-4 вписана по высоте в этот вертикальный размер пассивной области мишени фотоприемника датчика 1-3, как показано на фиг.6. Область, занимаемая на мишени световодным жгутом 41 (на фиг.6 она тоже помечена штриховкой-заливкой), будет являться пассивной. Матрица ПЗС второго датчика совершенно аналогично считывает с оптимальной скоростью только те пикселы на мишени, которые не принадлежат к пассивной области. С другой стороны, исключается формирование видеосигнала на пассивной области мишени.
Аналоговый видеосигнал первого датчика 1-3 преобразуется далее в цифровой сигнал изображения «видео 1», а аналоговый видеосигнал второго датчика 1-4 - соответственно в цифровой сигнал изображения «видео 2». Затем, благодаря мультиплексору 1-5, оба видеосигнала по единственной линии связи передаются при помощи стандартного интерфейса (например, USB 2,0) на вход сервера 2. На плате видео сервера осуществляется разделение поступающего мультиплексного видеосигнала на два канала, соответственно для «видео 1» и «видео 2» и запись каждого из этих кольцевых изображений в блоки оперативной памяти.
г
Предположим, что текущий угол поля зрения (γ) предъявляемого панорамного изображения составляет 60 градусов по горизонтали, тогда «кольцевой» кадр записи для «видео 1» включает 6 (шесть) условных областей (см. фиг.5), а «кольцевой» кадр записи для «видео 2» тоже включает 6 условных областей (см. фиг.7). Очевидно, что эти области для «кольцевого» кадра «видео 2» будут перекрываться, но с этим можно согласиться, т.к. крайне желательно обеспечить запись видеосигналов с поддержанием неизменного показателя по четкости изображения.
Цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в m «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности (см. фиг.5 или фиг.7 соответственно) операторам локальной вычислительной сети. В нашем примере две эти последовательности содержат 12 различных изображений.
Будем считать, что в качестве персональных компьютеров 3, образующих эту сеть использованы ноутбуки, содержащие в своем составе материнскую плату с установленными на ней процессором и оперативной памятью, а также жесткий диск, дисплей, клавиатуру и тачпад - указательное устройство, используемое вместо манипулятора «мышь». Оператор каждого ноутбука 3 может осуществить селекцию предлагаемого сервером 2 изображения и его вывод на экран дисплея.
Технический результат предполагаемого изобретения заключается в том, что число датчиков видеосигнала в устройстве, по сравнению с прототипом, сокращается до двух, а в качестве их фотоприемников допустимо «безболезненное» использование матриц ПЗС, имеющих технологические дефекты в центральной области мишени.
Если же сравнивать новое решение с патентом [7], то сейчас достигается другой технический эффект, а именно: увеличенная последовательность изображений, передающих увеличенную площадь контролируемого оптического пространства.
В настоящее время все элементы структурной схемы устройства 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 №2389154. МПК H04N 7/18. Устройство панорамного телевизионного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2010. - №13.
2. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение: Телевизионные системы с переменными параметрами на ПЗС и микропроцессорах. - М.: «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 // Б.И. - 2002. - №20.
4. Хромов Л.И., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Видеоинформатика. Передача и компьютерная обработка видеоинформации. - М.: «Радио и связь», 1991.
5. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К., Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле. - М.: «Радио и связь», 2006.
6. Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. Перевод с англ. - М.: «Мир», 1985.
7. Патент РФ №2371880, МПК H04N 7/00. Способ панорамного телевизионного наблюдения и устройство для его осуществления. / В.М. Смелков // Б.И. - 2009. - №30.