УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СТЕРЕОТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 1995 года по МПК H04N13/00 

Изобретение относится к технике телевидения и может быть использовано в стереотелевизионных устройствах при работе с динамическими объектами или со стационарными объектами, относительно которых передвигается платформа с установленной на ней телевизионной камерой.

Известно устройство, содержащее передающую стереотелевизионную камеру, первый и второй видеоусилители, стереовидеоконтрольный блок, синхрогенератор, блоки кадровой и строчной развертки, датчик слежения, вычислитель, счетчик числа строк, корректор нелинейности строчной развертки и усилитель сигнала с соответствующими связями (авт. св. СССР N 1190542, кл. Н 04 N 13/00, 1983).

Недостатком устройства является относительная сложность, обусловленная использованием стереотелевизионной камеры.

Существует класс задач формирования трехмерного изображения, при котором видеосигнал поступает непосредственно с подвижного аппарата, пролетающего над объектом. В этих условиях для получения стереоэффекта можно использовать временной параллакс (ВП), который получается при относительном движении передающей камеры и объекта.

ВП широко используется при аэрофотосъемке для получения стереофотографий поверхности земли и облачного покрова с помощью одной камеры и двухмерной фотографии.

Параллакс между левым и правым кадрами получается за счет временного сдвига при последовательном фотографировании. В отличие от аэрофотосъемки телевизионная система, использующая ВП, позволяет наблюдать объекты в динамике непосредственно в момент передачи.

В одном варианте системы световое изображение преобразуется в электрический видеосигнал и записывается на ленту по одному или двум каналам. Записываемый сигнал задерживается на разные промежутки времени относительно сигнала, передаваемого по другому каналу. Каждая пара относительно задержанных сигналов воспроизводится на ВКУ в виде отдельных изображений для левого и правого глаза.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее последовательно соединенные телекамеру, линию связи, блок задержки и первый видеоконтрольный блок, а также второй видеоконтрольный блок, соединенный с линией связи, и блок пространственной селекции изображений стереопары, установленный перед первым и вторым видеоконтрольными блоками (патент США N 3527880, кл. 339-92, 1986).

Такое устройство позволяет получить сколь угодно большой базис съемки, что достигается изменением интервала времени между воспроизведением левого и правого кадров стереопары. Вместе с тем устройство работоспособно только при неизменном расстоянии между телекамерой и объектом. Однако, как показала практика, например, при сближении КА относительная скорость содержит как боковую, так и продольную составляющую, которая приводит к изменению расстояния между объектами и, следовательно, размеров изображения объекта. Применение устройства-прототипа в данном случае для формирования стереоизображений невозможно из-за изменений размеров изображения стереопары.

Цель изобретения - обеспечение возможности формирования стереоизображения при изменении дальности до объекта наблюдения.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные стереотелевизионную камеру, линию связи, блок задержки и первый видеоконтрольный блок, а также второй видеоконтрольный блок и блок пространственной селекции изображений стереопары, установленный перед первым и вторым видеоконтрольными блоками, введены первый и второй блоки измерения размеров изображения, делитель и блок масштабирования, причем вход первого блока измерения размеров изображения соединен с выходом линии связи, а выход - с первым входом делителя, вход второго блока измерения размеров изображения соединен с выходом блока задержки, а выход - с вторым входом делителя, выход которого соединен с управляющим входом блока масштабирования, информационный вход которого соединен с выходом линии связи, а выход - с входом второго видеоконтрольного блока.

Анализ научно-технической литературы показал, что отсутствуют устройства с указанной совокупностью признаков. Следовательно, предложение отвечает критерию "новизна".

Кроме того, цель изобретения достигается всей введенной совокупностью существенных признаков, которая в указанном сочетании не обнаружена. Следовательно, предложение отвечает критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена электрическая структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные стереотелевизионную передающую камеру 1, линию 2 связи, блок 3 задержки и первый видеоконтрольный блок 4, а также второй видеоконтрольный блок 5, блок 6 пространственной селекции изображений, установленный перед первым 4 и вторым 5 видеоконтрольными блоками, первый 7 и второй 8 блоки измерения размеров сигнала изображения, делитель 9 частоты и блок 10 масштабирования. Вход первого блока 7 измерения размеров сигнала изображения соединен с выходом линии 2 связи, а выход - с первым входом делителя 9 частоты, вход второго блока 8 измерения размеров сигнала изображения соединен с выходом блока 3 задержки, а выход - с вторым входом делителя 9 частоты, выход которого соединен с управляющим входом блока 10 масштабирования, информационный вход которого соединен с выходом линии 2 связи, а выход - с входом второго видеоконтрольного блока 5.

Блоки 1, 2, 4, 5 являются стандартными устройствами телевизионной техники. Блок 6 может быть выполнен в виде, описанном в кн. Мамчева Г.В. Стереотелевизионные устройства отображения информации. М. : Радио и связь, 1983, с. 13. Блок 3 задержки может быть выполнен, например, как в прототипе при помощи двух видеомагнитофонов, один из которых находится в записывающем, а другой - воспроизводящем режиме, причем для записи и воспроизведения используется магнитная лента с петлей, длина которой задает время задержки. Блоки 7, 8 измерения размеров сигнала изображения могут быть выполнены в виде, представленном в кн. Системы технического зрения. /Под ред. А.Н. Писаревского. - Л. : Машиностроение, 1988, с. 154. Делитель частоты 9 может быть выполнен на базе БИС К145ИП12, широко используемой в микрокалькуляторах (см. Микросхемы и их применение. Справочное пособие. М.: Радио и связь, 1983). Блок 10 масштабирования может быть выполнен в виде, представленном в кн. Цуккермана И.И. Преобразование электронного изображения. Л.: Энергия, 1972, с. 90, причем в качестве управляющего входа используется преобразующая система.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Изображение объекта, относительно которого перемещается стереотелекамера 1, преобразуется последней в видеосигнал, поступающий через линию 2 связи в блок 3 задержки, в котором осуществляется задержка видеосигнала на время τ, зависящее от величины боковой составляющей относительной скорости. С выхода блока задержки видеосигнал поступает в первый видеоконтрольный блок 4, на котором осуществляется отображение одного из изображений стереопары.

С входа и выхода блока 3 задержки видеосигналы поступают соответственно на первый 7 и второй 8 блоки измерения размеров сигнала изображения. На выходах этих блоков формируются сигналы, соответствующие размерам изображения в текущий момент времени Аи и задержанного на время τ (А), которые поступают на входы делителя 9. На выходе делителя формируется сигнал, равный отношению K = , который поступает на управляющий вход блока 10 масштабирования, на информационный вход которого поступает текущий видеосигнал с линии 2 связи. В блоке 10 осуществляется растяжение или сжатие видеосигнала в зависимости от величины К. Таким образом, осуществляется нормирование размеров изображений. Видеосигнал с выхода блока 10 масштабирования поступает на вход видеоконтрольного блока 5, на экране которого формируется соответствующее изображение.

Пусть стереотелекамера, ось которой перпендикулярна плоскости I-I, перемещается в этой плоскости из точки Ол в точку Оп, при этом фотомишень телекамеры перемещается в плоскости III-III, а объект расположен в плоскости II-II. На фиг. 2 l - минимальное расстояние до объекта; f - фокусное расстояние объектива телекамеры; b - базис съемки. В этом случае линейный параллакс передачи точки А₁
P_A1 = A_1л A_1п - ОлОп, а точки А₂
Р_А2 = А_2л А_2п - ОлОп.

Поскольку разность взаимного восприятия точек А₁ и А₂ определяется разностью параллактических углов рассматриваемого изображения, то целесообразно определить разность между значениями линейных параллаксов передачи обеих точек:
P = P-P= A_2лA_2п-A_1лA_1п= , (1) откуда b = .

Принимая во внимание, что воспроизводящее устройство телевизионной системы дает увеличение в g раз по отношению экранного изображения к изображению на фотокатоде и что l >> h, получают
b ≈ .

Время перемещения телекамеры из точки Ол в точку Оп
t = , где V - боковая скорость перемещения телекамеры.

Последняя формула показывает, как выбрать время задержки τ исходя из требуемого базиса съемки b.

Предыдущие рассуждения верны для случая движения телекамеры по круговой траектории с центром в точке расположения объекта наблюдения или для съемок из разных точек с одинаковым расстоянием от телекамеры до объекта, т. е. для случая, при котором можно использовать прототип (при этом подразумевается, что ориентация телекамеры или платформы, на которой она установлена, застабилизирована в инерциальной системе координат).

Если стереотелекамера движется по отношению к объекту таким образом, что изменяется относительная дальность до объекта, то помимо полезной боковой составляющей относительной скорости V_б, определяющей эффект "оглядывания" объекта с изменением ракурса съемки и появления параллакса, продольная составляющая относительной скорости, направленная в сторону объекта, приводит к изменению размеров изображения объекта, что вызывает при превышении некоторого порогового значения, зависящего от физиологических свойств зрения, пропадание стереоэффекта, несмотря на достаточное изменение ракурса.

Как известно, размеры изображения А_и оптической системы связаны с расстоянием ρ до объекта соотношением
A_и= , где А_о - размер объекта;
С - коэффициент пропорциональности, зависящий от увеличения объектива оптической системы.

Если в момент t₁ расстояние до объекта ρ₁, а в момент t₂ - ρ₂ , то справедливо соотношение = = K, показывающее, что для определения коэффициента масштабирования для нормирования снимков можно использовать не только отношение размеров изображений, но и отношение относительных дальностей (например, при наличии дальномера на одном из объектов).

Опыт практического использования предлагаемого устройства показывает, что в случае использования размеров изображения для определения коэффициента масштабирования целесообразно измерение размеров объекта проводить в плоскости, перпендикулярной плоскости "облета" объекта. В этом случае снижается погрешность, вносимая за счет изменения размеров, вызванных изменением ракурса съемки (т.е. в плоскости облета).

Рассмотрим, как изменяется параллакс при изменении дальности до объекта. Используя формулу (1) для l >> h, получают
P = .

Для нормального случая при неизменной относительной дальности l₁параллакс
P₁= .

В случае изменения относительной дальности (при перемещении телекамеры из точки 1 в точку 2) параллакс
P₂= .

Отношения параллаксов
= · .

Принимая во внимание, что = (см. фиг. 3), получают = и так как ранее было показано, что = , получают = , т.е. параллакс пропорционален размерам изображения объекта. Следовательно, нормируя размеры объекта путем растяжения или сжатия, осуществляют и нормирование параллаксов, что обеспечивает формирование стереопары в случае изменения относительной дальности между телекамерой и объектом.

Предложенное техническое решение позволяет резко расширить область применения устройства, так как снимаются ограничения, связанные с изменением расстояния между телекамерой и объектом. Появляется возможность формирования стереоизображений из архивных видео- и кинофильмов, при съемке которых оператор, имеющий монокулярную камеру, перемещался относительно объекта не только в сторону, но и приближаясь или удаляясь от него.

Пусть, например, l = 350 км, h_min = 1 км, V_бок = 7 км/с, размер изображения на фотокатоде 28 х 28 мм², размер экрана 280 х x210 мм², поле зрения объектива 100 км, Р_min = 0,41 мм. Тогда
q = = 10,
f = · 350·10³ ≈ 0,1 м,
b = = 50·10³ м.

τ = ≈ 7 с. Пусть за это же время расстояние до объекта уменьшилось на 40 км, т.е. продольная составляющая относительной скорости V_прод= = 44/3 км/с/ тогда размеры изображения увеличатся в = 0,88 раз, следовательно, коэффициент масштабирования составит 0,88.

Использование: в технике телевидения, стереотелевизионных устройствах формирования стереотелевизионного изображения подвижного объекта. Сущность изобретения: устройство формирования стереотелевизионного изображения подвижного объекта содержит последовательно соединенные стереотелевизионную передающую камеру 1, линию 2 связи, блок 3 задержки, первый видеоконтрольный блок 4, второй видеоконтрольный блок 5, блок 6 пространственной селекции сигнала изображения, два блока 7,8 измерения размеров изображения, делитель 9 и блок 10 масштабирования. Обеспечивается возможность формирования стереоизображения при изменении дальности до объекта. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ СТЕРЕОТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА, содержащее последовательно соединенные телевизионную передающую камеру, линию связи, блок задержки и первый видеоконтрольный блок, а также второй видеоконтрольный блок и блок пространственной селекции сигнала изображений стереопары, оптически связанный и установленный перед первым и вторым видеоконтрольными блоками, отличающееся тем, что, с целью формирования сигнала стереоизображения при изменении дальности до объекта, в него дополнительно введены первый и второй блоки измерения размеров сигнала изображения, делитель и блок масштабирования, причем вход первого блока измерения размеров сигнала изображения соединен с выходом линии связи, а выход - с первым входом делителя, вход второго блока измерения размеров сигнала изображения соединен с выходом блока задержки, а выход - с вторым входом делителя, выход которого соединен с управляющим входом блока масштабирования, информационный вход которого соединен с выходом линии связи, а выход - с входом второго видеоконтрольного блока.