АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОТОБРАЖЕНИЯ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ "МЕТРОФИЛЬМ", АВТОНОМНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ОТОБРАЖЕНИЯ ОДНОГО КАДРА ВИДЕОРЯДА И СПОСОБ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ ЗРИТЕЛЯМ, НАХОДЯЩИМСЯ В ДВИЖЕНИИ
AUTOMATED SYSTEM FOR DISPLAYING VIDEO "METROFILM", STANDALONE ELEMENT FOR DISPLAYING ONE VIDEO SEQUENCE FRAME AND METHOD FOR DISPLAYING VIDEO FOR MOVING VIEWERS

Автономный элемент отображения одного кадра видеоряда и способ представления видеоинформации зрителем, находящимся в движении.
Изобретение относится к системе и способу формирования динамического матричного изображения с применением упорядоченных вертикальных светодиодных рядов, которые реализуют эффект «остаточного изображения», используя инерционность глаза человека. Изобретение может быть использовано для демонстрации рекламных или иных видеоматериалов вдоль пути следования транспортного средства, например в тоннелях метро или железнодорожных тоннелях.
Известно устройство для отображения многочисленных рядов изображений для зрителей, находящихся в движении (WO 01/27908 7 G09F 19/22, G03B 25/02, опубл. 19.04.2001 г.), которое включает множество изображений, закрепленных на поверхности, и щелевую панель, установленную между этой поверхностью и зрителем. В случае, когда зрители проходят мимо, щелевая панель действует как затвор, создающий анимационный эффект. Многочисленные анимационные эффекты создаются путем рассеяния и установки многочисленных рядов неподвижных изображений на поверхности. Каждый ряд неподвижных изображений виден под различным углом относительно зрителей, проходящих мимо.
Недостатком изобретения является зависимость качества динамического изображения от скорости передвижения.
Известна система создания видеоряда для просмотра из транспортного средства на линейном участке путепровода, описанная в патенте US 4383742, которая включает в себя множество статичных изображений и осветительные системы для прерывистого освещения каждого из изображений, размер изображений и расстояние между ними выбирают в зависимости от скорости транспортного средства, при этом для определения скорости движущегося транспортного средства и синхронизации импульсного освещения изображений использован электромагнитный триггер.
Недостатком известной системы является зависимость от типа поездов, скорости движения, размеров окон и расстояний между ними. Например, при замене состава или модернизации потребуется менять все настройки или систему в целом, что является трудоемким и затратным. Необходимое для синхронизации устройство является недостаточно эффективным и может привести к потере синхронизации освещения.
Известна система создания видеоряда для просмотра из транспортного средства, перемещающегося по фиксированному путепроводу (RU 2053574, 6 G09F 21/04, G09F 19/22, опубл. 27.01.1996 г.), выбранная за прототип, включающая систематизированный ряд носителей информации, размещенный вдоль пути следования транспортного средства, и осветительные системы для прерывистого освещения каждого носителя, размер изображений и расстояние между ними выбирают в зависимости от скорости транспортного средства, по вертикальной симметрии каждого изображения установлены фотоэлементы, которые обеспечивают освещение изображений посредством взаимодействия со светящимися лампочками, установленными с наружной стороны вагонов по вертикальной оси симметрии каждого окна, обращенного в сторону носителей информации.
Недостатком известной системы является зависимость от типа поездов, скорости движения, размеров окон и расстояний между ними. Использование фотоэлементов, установленных на транспортном средстве, требует внесения изменений в конструкцию поезда, что усложняет обслуживание и ограничивает сферу применения.
Известный элемент отображения одного кадра, используемый в систематизированном ряду, содержит графическое изображение отдельной последовательной фазы динамики информации на материальном носителе, например, в виде увеличенных кадров игрового или анимационного (мультипликационного) кинофильма. Систематизированный ряд носителей информации представляет собой как бы развернутую и вытянутую вдоль пути следования поезда киноленту.
Использование графических изображений в виде увеличенных кадров устанавливает зависимость размеров носителя информации от скорости транспортного средства, формы и размеров окон, кроме того, требует регулярного демонтажа и монтажа носителей при замене рекламной или иной информации.
Известен способ представления визуальной информации зрителем, находящимся в движущемся транспортном средстве (RU 2053574, 6 G09F 21/04, G09F 19/22, опубл. 27.01.1996 г.), выбранный за прототип, включающий размещение носителей информации в виде увеличенных графических изображений кадров фильма в систематизированный ряд вдоль пути следования транспортного средства, размеры носителей информации и расстояние между ними выбирают в зависимости от скорости транспортного средства, освещение носителей информации и предъявление информации зрителем, при этом длительность освещения каждого носителя информации и предъявления информации каждому зрителю выбирают меньше, чем время прохождения транспортным средством пути, равного размеру каждого носителя информации, а начало освещения носителя информации и предъявления информации осуществляют при совмещении вертикальных осей симметрии каждого носителя информации и окна транспортного средства.
В известном способе для достижения эффекта динамического изображения используется освещение каждого графического изображения в течение коротких периодов времени, при этом при отклонениях от графика движения поезда искажается динамичность представления информации, а именно при остановке зритель видит статичное изображение, при скорости поезда меньше заданной - замедленное, а при большей - ускоренное, что в конечном итоге снижает эстетическую привлекательность видеоряда.
Задачей настоящего изобретения является разработка принципиально новой системы и способа формирования динамического изображения в тоннелях метрополитена.
Предлагаемая система с автономным элементом отображения одного кадра, выполненного с применением светодиодов, расширяет функциональные возможности, позволяет осуществлять автоматическую синхронизацию начала воспроизведения кадра относительно зрителя и длительность отображения относительно скорости движения зрителя, исключить зависимость качества динамического изображения от скорости поезда, формы вагона, формы и размеров окон, расстояний между окнами. Система позволяет сохранять в памяти несколько видеороликов, заменять и чередовать видеофильмы без замены носителей. Кроме того, новая конструкция позволяет осуществлять автоматическую самодиагностику и дистанционный контроль работоспособности системы, автоматическое отключение при обнаружении неисправности, влияющей на качество воспроизведения и на безопасность движения, автоматическое восстановление системы без вмешательства оператора, при этом обеспечивается минимальное количество кабелей и разъемов, что снижает стоимость конструкции и обслуживания.
Способ позволяет обеспечить точное наложение смежных матричных изображений, формируемых светодиодными рядами, получать четкое и реалистичное динамическое изображение видеороликов зрителем, находящимся в движущемся транспортном средстве.
Технический результат изобретения достигается тем, что:
Автономный элемент отображения одного кадра видеоряда, содержащий изображение отдельной последовательной фазы динамики информации, согласно изобретению, элемент выполнен в виде модуля, формирующего матричное изображение, при этом модуль содержит датчик скорости, состоящий из двух фотодиодов, расположенных горизонтально на расстоянии друг от друга, по меньшей мере, одну вертикальную линейку трехцветных светодиодов с блоком управления в виде контроллера с микропрограммой, обеспечивающей самодиагностику светодиодов и ячеек памяти контроллера, прием, сохранение и передачу данных о состоянии последующему модулю или управляющему компьютеру и прием команд от управляющего компьютера на воспроизведение кадра, определение скорости окна транспортного средства в момент начала прохождения по сигналам фотодиодов и последующую автоматическую синхронизацию начала воспроизведения и длительности отображения кадра относительно зрителя.
Автоматизированная система отображения видеоинформации, например, в тоннелях метро или железнодорожных тоннелях, включающая ряд носителей информации, размещенный вдоль пути следования транспортного средства, согласно изобретению, система содержит управляющий процессор, взаимосвязанный с внешней системой управления посредством беспроводного или проводного канала связи, укомплектованный датчиком скорости, состоящим из двух фотодиодов, расположенных горизонтально на расстоянии друг от друга и снабженных программой, обеспечивающей обработку сигнала датчика, передачу, прием и сохранение данных и команд, диагностику и контроль работоспособности системы; набор модулей для формирования динамического матричного изображения на основе эффекта «остаточного изображения», взаимосвязанных с управляющим процессором посредством встроенных приемопередающих беспроводных устройств, работающих в инфракрасном диапазоне, причем каждый модуль является прямым и обратным ретранслятором команд и/или данных для последующего модуля, при этом модуль содержит датчик скорости, состоящий из двух фотодиодов, расположенных горизонтально на расстоянии друг от друга, по меньшей мере, одну вертикальную линейку трехцветных светодиодов с блоком управления в виде контроллера с микропрограммой, обеспечивающей самодиагностику светодиодов и ячеек памяти контроллера, прием, сохранение и передачу данных о состоянии последующему модулю или управляющему компьютеру и прием команд от управляющего компьютера на воспроизведение кадра, определение скорости окна транспортного средства в момент начала прохождения по сигналам фотодиодов и последующую автоматическую синхронизацию начала воспроизведения и длительности отображения кадра относительно зрителя с установленной скоростью движения конкретного окна.
Дополнительно фотодиоды модуля снабжены объективами для создания максимального светового потока от окон проходящих вагонов и точного определения границы начала окна.
Управляющий процессор и модули размещены в специальных коробах.
Способ представления видеоинформации зрителям, находящимся в движении, включающий размещение носителей информации вдоль пути следования транспортного средства и предъявление информации зрителю в поле окна, согласно изобретению в качестве носителей информации используют вертикальные линейки светодиодов, снабженные контроллерами, формирующие элементы строки и ряда изображения пикселями трехцветных светодиодов, предъявление изображения каждому зрителю осуществляют с эффектом «остаточное изображение» посредством развертки во времени матричного изображения кадров, отображаемых носителями информации, при этом начало воспроизведения и предъявления кадра зрителю синхронизируют с началом окна, а длительность отображения кадра каждым носителем синхронизируют со скоростью движения крайней точки конкретного окна по пути следования, определяемой посредством двух фотодиодов, расположенных горизонтально на расстоянии друг от друга и взаимосвязанных с контроллерами.
На фиг.1 представлена функциональная схема системы. На фиг.2 представлен общий вид секции видеоряда.
Автоматизированная система отображения видеоинформации, например в тоннелях метро или железнодорожных тоннелях, включает управляющий процессор 1 и набор упорядоченных модулей 2, которые снабжены блоками питания и размещены в специальных герметичных металлических корпусах. Количество модулей 2 соответствует количеству кадров в воспроизводимом видеоклипе. Например, для отображения клипа, состоящего из 250 кадров, система должна содержать 250 модулей (при скорости поезда 70 км/ч и расстоянии между модулями 0,8 м наблюдатель, находящийся в поезде, увидит видеоклип со скоростью 24.3 кадра в секунду и длительностью 10.3 сек).
Управляющий процессор 1 взаимосвязан с внешней глобальной системой управления (не показано) или внешней диспетчерской программой посредствам интерфейсов Ethernet или RS233 (через модем). Доступ к процессору для внешних программ осуществляется по сети Ethernet протокол TCP-IP. Для внешних программ система «Метрофильм» предоставляется в виде трех папок - Clips, Plist, Logs. В папке Clips находятся видеоклипы, в папке Plist находятся плейлисты, а в папке Logs записываются логи - состояние работы системы. Процессор имеет статический IP адрес.
Процессор 1 укомплектован датчиком скорости в виде оптосенсора 3, состоящего из двух фотодиодов, расположенных горизонтально на определенном расстоянии друг от друга.
Программа управления, которой снабжен процессор 1, обеспечивает самодиагностику каналов передачи данных и ячеек памяти, обработку сигнала датчика, прием и сохранение данных и команд от внешней системы управления, прием данных диагностики каждого модуля и контроль их работоспособности, передачу кадра и команд соответствующим модулям.
Упорядоченный ряд модулей 2 и управляющий процессор 1 взаимосвязаны между собой посредством встроенных приемопередающих беспроводных устройств 4, работающих в инфракрасном диапазоне. Каждый модуль 2 является ретранслятором команд и данных от процессора 1 для последующего модуля, а также ретранслятором обратного канала состояния модулей для процессора, при этом для управления модулями используется специальный протокол, учитывающий особенности инфракрасного канала передачи данных.
Модуль 2 является автономным элементом отображения одного кадра и содержит одну или несколько вертикальных линеек светодиодов 5, обеспечивающих формирование элемента строки и элемента ряда изображения пикселями из трехцветных светодиодов (красного, синего и зеленого). Количество светодиодных линеек в модуле устанавливают в зависимости от требуемой разрешающей способности, вертикального шага между пикселями и высоты экрана. Например, светодиоды расположены на ячейке в двух рядах (фиг.1). Данное расположение обусловлено требованием вертикального шага между пикселями равному 2,5 мм. Светодиод имеет размер больше, чем шаг пикселей. При разнесении рядов между диодами четного ряда шаг равен 5 мм, соответственно в нечетном ряду шаг равен 5 мм. Ряды смещены относительно друг от друга в вертикальной плоскости на 2,5 мм, что позволяет получить вертикальный шаг между пикселями равный 2,5 мм. Для получения качественного изображения микропрограмма контроллера светодиодных ячеек выводит информацию на четные строчные ряды с задержкой относительно нечетных рядов, зависящей от скорости движения поезда. Таким образом, для зрителя, находящегося в движении, создается зрительное восприятие, что все пиксели находятся в одном ряду.
Каждая линейка светодиодов 5 снабжена блоком управления в виде контроллера на основе программируемой логической матрицы с микропрограммой, которая обеспечивает самодиагностику светодиодов и ячеек памяти, прием и передачу данных от соседних модулей, передачу данных о состоянии управляющему компьютеру, прием команд от управляющего компьютера на воспроизведение кадра, определение скорости окна транспортного средства в момент начала прохождения по сигналам фотодиодов, синхронизацию начала воспроизведения кадра и длительности отображения относительно зрителя с установленной скоростью движения конкретного окна, аварийное отключение питания светодиодных ячеек. Также программно задается отключение развертки кадра при скорости изображения менее 18 кадров в секунду.
Модуль 2 содержит датчик определения начала момента воспроизведения (развертки) кадра и скорости движения начала окна вагона в виде оптосенсора 6, состоящего из двух фотодиодов, которые расположены горизонтально на определенном расстоянии друг от друга. Фотодиоды оптосенсора 6 взаимосвязаны с блоком управления модулем и снабжены дополнительно объективами для создания максимального светового потока от окон проходящих вагонов и точного определения границы начала окна.
Систему монтируют, например, в тоннеле метрополитена на линейном участке движения поезда. Расстояние между модулями 2 определяют для каждого конкретного тоннеля, при этом в качестве основы для расчетов берут среднюю скорость движения поезда через данный тоннель. Например, для тоннеля, где средняя скорость движения поезда составляет 80 км/час (или 22,22 м/с), расстояние между модулями устанавливают предпочтительно 0,88 м. При указанной скорости поезд проходит расстояние в 222 м за 10 секунд, за этот промежуток зритель видит 250 кадров (при этом скорость смены кадров равна 25 кадров в секунду). Модули разделяют на секции (по пять модулей), монтируют на несущую конструкцию и крепят к стенке тоннеля, обеспечивая безопасное расстояние, при этом первым по ходу поезда в системе всегда устанавливают управляющий процессор 1.
Работа системы обеспечивается следующим образом.
После подключения системы к сети в каждом модуле 2 с помощью блока управления автоматически осуществляется самодиагностика светодиодов 5 и ячеек памяти. По завершении диагностики в определенные ячейки памяти контроллера записывается результат проверки. Если при диагностике обнаруживается неработающий светодиод(ы) или ячейка(и) памяти, то в данном модуле 2 отключается питание светодиодных ячеек, при этом канал связи 4 не отключается. Аналогично в процессоре 1 с помощью программного обеспечения осуществляется самодиагностика ячеек памяти и канала передачи данных. По завершении самодиагностики процессор 1 проводит автонумерацию модулей в видеоряде и присваивает каждому модулю номер соответственно 1…N-1, N. После нумерации процессор 1 опрашивает каждый модуль о результате самодиагностики посредством канала связи 4, при этом контроллер модуля, получив запрос от процессора 1, передает код состояния, записанный в его памяти. Внешняя система управления посредствам интерфейсов Ethernet или RS233 получает данные о состоянии и работоспособности системы в целом.
Далее процессор 1 по каналу связи получает от внешней системы расписание и набор клипов (например, четыре клипа) и сохраняет их в собственной памяти. Затем по расписанию и набору клипов процессор 1 передает по каналу 4 в каждый соответствующий нумерации модуль кадр клипа, который будет отображаться при прохождении поезда. В зависимости от объема памяти каждый модуль может сохранять несколько кадров (например, до 4 кадров), что позволяет чередовать клипы для проходящих поездов. Запись кадров может осуществляться также в интервале между прохождением поездов. Это дает возможность постоянно обновлять набор клипов, отображаемых видеорядом.
По завершении загрузки и сохранения кадра каждым модулем процессор 1 передает по каналу 4 модулям 2 команду «режим ожидания поезда», при этом процессор 1 переходит в режим ожидания внешних команд или сигнала от оптосенсора 3 о начале движения поезда. При получении сигнала от оптосенсора 3 процессор 1 по каналу 4 посылает блоку управления каждого модуля 2 команду «воспроизвести кадр».
Блок управления каждого модуля 2, получив команду воспроизведения кадра, переходит в режим сканирования начала окна и ожидает сигнал от собственного датчика скорости 6.
Последующий этап работы системы обеспечивает формирование динамического изображения в видеоряде и представление видеоинформации зрителем, находящимся на движущемся транспортном средстве.
Носители информации в виде вертикальных линеек светодиодов формируют у зрителя динамическое матричное изображение на основе эффекта «остаточное изображение», который определяется особенностью человеческого зрения запоминать изображение и накладывать изображение на последующее изображение. Описанные выше, упорядоченные ряды 5 снабжены блоками управления в виде контроллеров с программным обеспечением, которые управляют яркостью каждого светодиода и создают пикселями трехцветных светодиодов элементы строки и ряда изображения.
Известно, что инертность глаза человека позволяет сохранять зрительный образ полученной им видеоинформации в течение ≈0,08 с. При движении транспортного средства зрителю предъявляется развертка во времени матричного изображения кадров, отображаемых линейками светодиодов, которые представляются зрителю в виде пространственного изображения, а не в виде линейки светодиодов. Глаз человека накладывает текущее изображение на предыдущее и в результате получает слитное развернутое изображение в виде заполненного двухмерного пространства.
Применение фотодиодов оптосенсора 6, расположенных на таком расстоянии друг от друга, при котором значение промежутка времени между сигналами фотодиодов уменьшено до минимума, позволяет практически определить мгновенную скорость движения начала каждого окна поезда и синхронизировать через блок управления развертку во времени кадров (начало воспроизведения и длительность отображения каждого кадра) относительно каждого зрителя, в том числе при ускоренном или замедленном движении поезда.
Автоматическая синхронизация развертки кадров относительно зрителя осуществляется следующим образом. В момент начала прохождения окна вагона в фотодиодах оптосенсора 6 формируются сигналы от светового потока, исходящего из окна. Усиление светового потока в каждом фотодиоде обеспечивается объективом, настроенным таким образом, чтобы край окна находился в резкости, это позволяет более точно определить границы начала окна, при этом производится анализ сигнала от оптосенсора 6 на предмет случайного срабатывания. Полученные сигналы светодиодов оцифровываются, определяется временной интервал между сигналами, вычисляется скорость движения начала окна и определяется длительность отображения кадра или «размер кадра по горизонтали», соответствующий установленной скорости. С помощью контроллера, взаимосвязанного с фотодиодами, осуществляется воспроизведение матричного изображения кадра и предъявление его зрителю в момент начала прохождения окна, при этом длительность отображения кадра автоматически синхронизируется с установленной скоростью движения начала окна. В конце отображения кадра контроллер анализирует состояние фотодиодов и определяет конец окна. При прохождении зрителем следующего автономного элемента отображения кадра аналогично фотодиодами и контроллером обеспечивается начало воспроизведения матричного изображения кадра и «размер кадра по горизонтали». Аналогичная процедура отображения информации осуществляется каждым элементом видеоряда вдоль пути следования транспортного средства, при этом количество процедур отображения соответствует количеству окон в поезде.
Таким образом, начало воспроизведения кадра относительно начала окна и «размер кадра по горизонтали» (длительность отображения, соответствующая установленной скорости) всегда будут синхронизированы со зрителем, находящимся в движении.
При движении поезда управляющим процессором 1 анализируются сигналы оптосенсора 3 и если в течение 20 секунд от оптосенсора 3 процессору 1 не поступают сигналы, это означает конец поезда.
При завершении показа видеоролика система обеспечивает передачу управляющему процессору отчета и возобновляет описанные этапы работы.
Таким образом, способ предъявления информации зрителю, находящемуся в движении, обеспечивает точное наложение текущего кадра видеоролика на предыдущий кадр, позволяет формировать четкое, реалистичное и качественное динамическое изображение в двухмерном пространстве.
Предлагаемая автоматизированная система отображения видеоинформации и формирования изображения в видеоряде является более экономичной и эффективной в сравнении с известными аналогами, позволяет осуществлять автоматическую синхронизацию начала воспроизведения кадра относительно зрителя и длительность отображения относительно скорости движения зрителя независимо от изменения скорости поезда, типа поезда, формы и количества окон в вагоне, что расширяет сферу применения.
Ниже приведены основные параметры и характеристики одного из вариантов системы:
Количество пикселей по горизонтали
320
Количество пикселей по вертикали
256
Цветовая палитра модуля, млн
16,7
Расстояние между модулями (80 км в час), мм
900
Расстояние между модулями (60 км в час), мм
700
Толщина стального листа корпуса модуля, мм
1,0
Высота модуля, мм
960
Ширина модуля, мм
105
Толщина модуля, мм
52
Толщина стекла в окне модуля, мм
3
Напряжение питания, В
220-240
Частота сети, Гц
50-60
Максимальная мощность, потребляемая модулем, Вт
100
Мощность, потребляемая системой, кВт
6-10
Вес модуля, кг
4
Степень защиты по ГОСТ 14254, IP
66
Количество сенсоров в модуле, шт
2
Тип сенсора
Фотодиод
Память модуля, Мбайт
1
Количество кадров в памяти
4
Интерфейс передачи данных между модулями
IR FIR
Скорость передачи данных, Мбит
4
Ветровая нагрузка, кг/м<sup>2</sup>
60
Количество светодиодов в модуле, шт.
256
Шаг светодиодов по вертикали, мм
2,5
Срок службы светодиодов, час
50000
Производитель светодиодов
Avago
Загрузка модуля, интервал, мин
2-3
Исключение кабины машиниста
авто
Процессоры системы ПЛИС
Altera
Интерфейс связи с диспетчерской 1
RS232
Интерфейс связи с диспетчерской 2
Ethernet
Взаимозаменяемость модулей
полная
Настройка модулей при установке
не требуется
Демонтаж (замена) модуля, мин
15
Интерфейс для настроек
RS232
Допустимое изменение напряжения питания, В
160 до 250
Электрическая прочность изоляции по ГОСТ 9219, МОм
3
Климатическое соответствие по ГОСТ 15150
УХЛ4
Стойкости к внешним мех. факторам по ГОСТ 17516.1
группа М25
Средний полный срок службы
не менее 10 лет.
Показатели надежности системы экспериментально подтверждаются на всех этапах испытаний.