УСТРОЙСТВО ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ "ДЕНЬ-НОЧЬ" Российский патент 2014 года по МПК H04N7/00 

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.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство панорамного телевизионного наблюдения «день-ночь» [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 (датчика ЦТС), а в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управления 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 m, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:

где γ_г - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем.

Недостаток прототипа - отсутствие автоматического выбора характера изображения (цветного или черно-белого) при оптимальной чувствительности в зависимости от времени суток, а также ограничение по площади кольцевого изображения, контролируемого оператором, из-за недостаточных показателей по разрешающей способности и скорости поэлементного считывания фотоприемника телевизионной камеры.

Задача изобретения - предоставление оператору цветного изображения днем и черно-белого изображения вечером или ночью в автоматическом режиме переключения и с повышенным отношением сигнал/шум для монохромного изображения при одновременном увеличении площади кольцевого изображения.

Поставленная задача в заявляемом устройстве панорамного телевизионного наблюдения «день-ночь» решается тем, что в устройство прототипа [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 прототипа состоит из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и датчика ЦТС, а в разъем расширения на материнской плате сервера прототипа установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управления и питанию с шиной сервера, содержащая первый БПКП, вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров m, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), а само это преобразование выполняется программным путем, в состав телевизионной камеры прототипа введены оптический блок, вход которого оптически связан с оптическим кадром панорамного объектива, первый выход оптического блока оптически связан с первой волоконно-оптической насадкой (ВОН), а второй выход оптического блока - со второй ВОН, второй датчик ЦТС, синхронизированный по частоте и фазе с первым датчиком ЦТС по сигналу синхронизации приемника (ССП), третий и четвертый датчики ЦТС, причем четвертый датчик ЦТС по ССП синхронизирован с третьим датчиком ЦТС, а также первый мультиплексор, первый информационный вход которого подключен к выходу цифрового телевизионного сигнала первого датчика ЦТС, второй информационный вход первого мультиплексора - к выходу цифрового телевизионного сигнала второго датчика ЦТС, вход синхронизации первого мультиплексора - к выходу синхросигнала первого датчика ЦТС, при этом мишень фотоприемника первого датчика ЦТС состыкована через волоконно-оптическое сочленение с периферийными световодными жгутами первой ВОН, а ее центральные световодные жгуты - с мишенью фотоприемника второго датчика ЦТС, а также второй мультиплексор, первый информационный вход которого подключен к выходу цифрового телевизионного сигнала третьего датчика ЦТС, второй информационный вход второго мультиплексора - к выходу цифрового телевизионного сигнала четвертого датчика ЦТС, вход синхронизации второго мультиплексора - к выходу синхросигнала третьего датчика ЦТС, при этом мишень фотоприемника третьего датчика ЦТС состыкована через волоконно-оптическое сочленение с периферийными световодными жгутами второй ВОН, а ее центральные световодные жгуты - с мишенью фотоприемника четвертого датчика ЦТС, причем выход первого мультиплексора подключен к первому информационному входу суточного коммутатора видеосигналов, второй информационный вход которого - к выходу второго мультиплексора, первый управляющий вход суточного коммутатора видеосигналов - к выходу аналогового телевизионного сигнала первого датчика ЦТС, второй управляющий вход суточного коммутатора видеосигналов - к выходу аналогового телевизионного сигнала второго датчика ЦТС, а выход суточного коммутатора видеосигналов является выходом «видео» телевизионной камеры, при этом первый и второй датчики ЦТС являются датчиками цветного сигнала изображения и выполнены на основе матриц ПЗС с организацией «строчный перенос», а третий и четвертый датчики ЦТС являются датчиками черно-белого сигнала изображения и выполнены на основе матриц ПЗС с организацией «строчно-кадровый перенос», в состав третьего и соответственно четвертого датчиков ЦТС дополнительно введен формирователь импульсов (ФИ) накопления, обеспечивающий в секции памяти матрицы ПЗС суммирование зарядовых пакетов, сформированных в фотоприемной секции, а плата видео сервера дополнительно содержит демультиплексор и второй БПКП, вход которого подключен к выходу второго блока оперативной памяти на кадр, а выход второго БПКП - к выходу «сеть» сервера, при этом число формируемых «прямоугольных» кадров удовлетворяет соотношению (1), а операции демультиплексирования входного видеосигнала и преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры выполняются в сервере программным путем, причем плата видео сервера обеспечивает ввод цифрового цветного видеосигнала в оперативную память и вывод из нее этого сигнала изображения с периодом Т_к, ввод цифрового монохромного видеосигнала - с периодом nТ_к, а вывод - с периодом Т_к, где Т_к - длительность кадра, n - число суммируемых кадров.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых конструктивных элементов в составе телевизионной камеры, к числу которых относятся: оптический блок, первая и вторая ВОН, второй, третий и четвертый датчики ЦТС, первый и второй мультиплексоры, суточный коммутатор видеосигналов, а также два ФИ накопления в составе третьего и четвертого датчиков ЦТС. Особенностью заявляемого устройства является и выполнение новых (дополнительных) функций сервером путем перепрограммирования платы видео.

Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.

В заявляемом решении в сервер локальной вычислительной сети вводятся в автоматическом режиме в зависимости от времени суток панорамные изображения цветного или черно-белые изображения с увеличенной площадью захватываемого изображения, причем монохромные видеосигналы регистрируются в нем с повышенным отношением сигнал/шум.

Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого устройства; на фиг.2 - структурная схема суточного коммутатора видеосигналов; на фиг.3 - структурная схема третьего и четвертого датчиков ЦТС; на фиг.4 по данным [2] представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг.5 в качестве примера показана плоскость входного изображения первой и второй ВОН, содержащих 81 световодных ответвлений; на фиг.6 - световодная «мозаика» кольцевого изображения, воспринимаемого первым и третьим датчиками ЦТС телевизионной камеры; на фиг.7 схематически представлено панорамное изображение этой кольцевой области, предлагаемое оператору персонального компьютера, в виде последовательности из 6-ти «прямоугольных» кадров; на фиг.8 и 9 - световодная «мозаика» кольцевого изображения, воспринимаемого вторым и четвертым датчиками ЦТС телевизионной камеры и соответственно предлагаемое оператору компьютера панорамное изображение для этой кольцевой области, содержащее аналогичную последовательность из 6-ти «прямоугольных» кадров; на фиг.10 приведена функциональная схема технологической организации фотоприемника для третьего и четвертого датчиков ЦТС; на фиг.11 - структурная схема ФИ накопления в составе третьего и четвертого датчиков ЦТС; на фиг.12…14 - временные диаграммы, поясняющие работу заявляемого устройства; на фиг.15 - конструкция оптического блока и ход оптических лучей в нем.

Заявляемое устройство панорамного телевизионного наблюдения «день-ночь», 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 содержит в своем составе последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив 1-1 и оптический блок 1-2, первый выход которого оптически связан с первой ВОН 1-3, а второй выход оптического блока 1-2 - со второй ВОН 1-4; первый датчик ЦТС 1-5, второй датчик ЦТС 1-6, синхронизированный по частоте и фазе от первого датчика, третий датчик ЦТС 1-7 и четвертый датчик ЦТС 1-8, причем четвертый датчик синхронизирован от третьего датчика, а также первый мультиплексор 1-9, второй мультиплексор 1-10 и суточный коммутатор видеосигналов 1-11; при этом мишень фотоприемника первого датчика 1-5 состыкована через волоконно-оптическое сочленение с периферийными световодными жгутами ВОН 1-3, а ее центральные световодные жгуты - с мишенью фотоприемника второго датчика 1-6, мишень фотоприемника третьего датчика 1-7 - с периферийными световодными жгутами ВОН 1-4, а ее центральные световодные жгуты - с мишенью фотоприемника четвертого датчика 1-8; выход первого мультиплексора 1-9 подключен к первому информационному входу суточного коммутатора видеосигналов 1-11, второй информационный вход которого - к выходу второго мультиплексора 1-10, первый управляющий вход суточного коммутатора 1-11 - к выходу аналогового телевизионного сигнала первого датчика 1-5, второй управляющий вход суточного коммутатора 1-11 - к выходу аналогового телевизионного сигнала второго датчика 1-6, а выход суточного коммутатора 1-11 является выходом «видео» телевизионной камеры.

Суточный коммутатор видеосигналов 1-11 предназначен для формирования на выходе телевизионной камеры 1 в зависимости от уровня освещенности в течение суток на контролируемом пространстве цветного или монохромного изображения в виде мультиплексного цифрового телевизионного сигнала для каждого из них.

Суточный коммутатор видеосигналов 1-11 может быть выполнен по структурной схеме (см. фиг.2), которая содержит в своем составе последовательно соединенные селектор 1-11-1 синхроимпульсов и формирователь импульсов (ФИ) 1-11-2 записи и сброса, а также последовательно соединенные детектор 1-11-3 видеосигналов, блок 1-11-4 выборки-хранения и компаратор 1-11-5, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению U_n, а выход - к управляющему входу коммутатора 1-11-6, при этом управляющий вход блока 1-11-4 выборки-хранения подключен к первому выходу ФИ 1-11-2, второй выход которого подключен к управляющему входу детектора 1-11-3 видеосигналов, причем вход селектора 1-11-1 синхроимпульсов объединен с первым информационным входом детектора 1-11-3 и является первым управляющим входом суточного коммутатора, второй информационный вход детектора 1-11-3 видеосигналов - вторым управляющим входом суточного коммутатора, первый информационный вход коммутатора 1-11-6 - первым информационным входом суточного коммутатора, второй информационный вход коммутатора 1-11-6 - вторым информационным входом суточного коммутатора, а выход коммутатора 1-11-6 - выходом суточного коммутатора.

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 [2].

Фотография кольцевого изображения, формируемого панорамным объективом, представлена на фиг.4. 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.

Оптический блок 1-2 предназначен для того, чтобы распараллелить оптическое изображения с выхода панорамного объектива 1-1 на мишени каждого из двух датчиков ЦТС в необходимом спектральном диапазоне.

Оптический блок 1-2 (см. фиг.15) содержит светоделитель 1-2-1 и корректирующий светофильтр 1-2-2, при этом светоделитель 1-2-1 выполнен в виде призмы с двумя светоделительными гранями, расположенными под углом 30°, причем первая светоделительная грань призмы является входом светоделителя, вторая светоделительная грань - первым выходом светоделителя, третья грань призмы, расположенная под углом 60° по отношению к первой ее грани, - вторым выходом светоделителя, а корректирующий светофильтр 1-2-2 выполнен в виде призмы с одной спектроделительной гранью, которая является входом корректирующего светофильтра и расположена под углом 30° по отношению к ее второй грани, которая является выходом корректирующего светофильтра, при этом первый выход светоделителя 1-2-1 оптически связан с входом корректирующего светофильтра 1-2-2, причем вторая светоделительная грань призмы светоделителя 1-2-1 установлена вплотную к спектроделительной грани призмы корректирующего светофильтра 1-2-2, при этом выход корректирующего светофильтра 1-2-2 является первым выходом оптического блока, а второй выход светоделителя 1-2-1 - вторым выходом оптического блока.

Первая волоконно-оптическая насадка (ВОН) 1-3 и вторая ВОН 1-4 предназначены для передачи световой энергии на расстояние с малым рассеянием, а выполнены по технологии гибких многожильных световодов (см., например, [3, с.74]). При этом ВОН 1-3 обеспечивает выбор областей захвата оптических изображений видимого спектра, а ВОН 1-4 - выбор таких же областей во всем спектральном диапазоне (видимом и инфракрасном).

ВОН 1-3 и ВОН 1-4 имеют световодные ответвления (жгуты), Допустим, что число таких жгутов составляет 81, как показано на фиг.5.

Жгуты этих насадок, в том числе: 1…20, 26…29, 35…38, 44…47, 53…56, 62…81, состыкованы с периферийными участками мишени фотоприемника для датчиков ЦТС 1-5 и 1-7 (см. фиг.6), а остальные жгуты: 21…25, 30…34, 39…43, 48…52, 57…61 - с центральными участками мишени фотоприемника для датчиков ЦТС 1-6 и 1-8 соответственно (см. фиг.8).

В перспективе может быть разработан и специализированный оптический прибор, в котором панорамный объектив, светоделитель, корректирующий светофильтр, первая и вторая ВОН выполнены в составе одного товарного изделия.

В заявляемом решении центральная область на мишени фотоприемника первого датчика ЦТС 1-5 и центральная область на мишени фотоприемника третьего датчика ЦТС 1-7 являются, по сути, пассивными, т.к. им не предлагается информация 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 темпового тока - одна из форм проявления геометрического шума [4, 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 1-5 и 1-7, 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.

Отметим, что подобными дефектами, но на меньшей площади центральной области мишени фотоприемника могут обладать и матрицы ПЗС для датчиков ЦТС 1-6 и 1-8.

Мишень фотоприемника первого датчика ЦТС 1-5 и мишень фотоприемника третьего датчика ЦТС 1-7 должны быть вписаны 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_г). Чем меньше величина γ_г, 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 [5, 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.

В заявляемом устройстве мишень фотоприемника второго датчика ЦТС 1-6 и мишень фотоприемника четвертого датчика ЦТС 1-8 должны захватывать кольцевое оптическое изображение, которое не используется при формировании видеосигнала фотоприемником первого датчика ЦТС 1-5 и соответственно фотоприемником третьего датчика ЦТС 1-7.

Поэтому очевидно, что формат мишени матрицы ПЗС (по числу пикселов на ее площади) для датчика 1-6 будет меньше формата мишени для датчика 1-5, а для датчика 1-8 - соответственно меньше, чем для датчика 1-7.

Отметим, что в датчике ЦТС 1-5 и в датчике ЦТС 1-6 в качестве сенсора используется цветная матрица ПЗС, имеющая организацию «строчный перенос», а в датчике ЦТС 1-7 и в датчике ЦТС 1-8 - черно-белая матрица ПЗС, организованная по типу «строчно-кадровый перенос».

Реализация строчно-кадрового переноса в сенсоре означает, что на кристалл матрицы ПЗС прототипа, имеющей организацию «строчный перенос», добавлена секция памяти 1-7(8)-1-2, которая располагается между фотоприемной секцией 1-7(8)-1-1 и выходным регистром 1-7(8)-1-3 (см. фиг.10).

Фотоприемная секция 1-7(8)-1-1 новой матрицы ПЗС имеет типовую конструкцию для матриц ПЗС с организацией «строчный перенос». Она обеспечивает накопление зарядовых пакетов в светочувствительных элементах, в качестве которых используются фотодиоды, организованные в столбцы. В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится нечувствительный к свету вертикальный ПЗС-регистр, отделенный от фотодиодов фотозатвором. Во время накопления зарядовых пакетов в фотодиодах на фотозатвор подается низкий уровень напряжения, обеспечивающий потенциальный барьер между фотодиодами и вертикальным ПЗС-регистром. По окончании накопления на фотозатвор кратковременно подается высокий уровень напряжения, разрешающий перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в вертикальных ПЗС-регистрах.

Фотоприемная секция 1-7(8)-1-1 снабжена электронным затвором, выполняющим электронную регулировку чувствительности путем управления временем накопления зарядовых носителей в течение кадрового периода.

Зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров секции 1-7(8)-1-1 в промежутке интервала обратного хода кадровой развертки переносятся в секцию 1-7(8)-1-2, а оттуда в последующем интервале прямого хода по кадру построчно переносятся в выходной регистр 1-7(8)-1-3. Каждая зарядовая строка изображения затем поэлементно считывается через блок преобразования «заряд-напряжение» (БПЗН) 1-7(8)-1-4, образуя на выходе «видео» фотоприемника электрический видеосигнал.

По сравнению с прототипом изменяется и структурная схема третьего 1-7 и соответственно четвертого 1-8 датчиков ЦТС (см. фиг.3). Вводимый в состав генератора 1-7(8)-2 управляющих импульсов дополнительно формирователь импульсов (ФИ) 1-7(8)-2-5 накопления предназначен для осуществления логического управления работой секции памяти 1-7(8)-1-2 с целью суммирования в ней с периодом кадров зарядовых пакетов, сформированных в фотоприемной секции 1-7(8)-1-1. Величина накопленного таким образом заряда в секции 1-7(8)-1-2 должна быть пропорциональна освещенности фотомишени 1-7(8)-1-1, а достигается эта зависимость за счет выбора интервала nТ_к по цепи обратной связи: цифровой выход с детектора видеосигнала в сигнальном процессоре 1-7(8)-3 - управляющий вход ФИ 1-7(8)-2-5 накопления. Число суммируемых кадров накопления n ограничено, с одной стороны, динамикой событий на объекте, которые необходимо видеть оператору, а с другой стороны, ростом темновой составляющей в видеосигнале матрицы ПЗС. Типовое значение параметра n по второй причине составляет 50…60 при нормальной температуре фотоприемника.

Применительно к трехфазной системе управления фотоприемником структурная схема ФИ 1-7(8)-2-5 накопления может быть выполнена согласно решению, предлагаемому на фиг.11. Она содержит следующие цифровые блоки: счетчик интервала nТ_к, первый и второй элементы «И», элемент «ИЛИ», а также первый и второй элементы «НЕ».

Очевидно, что устройство ФИ 1-7(8)-2-5 накопления может быть выполнено и в составе большой интегральной микросхемы (БИС) временного контроллера 1-7(8)-2-1.

Очевидно и другое. При помощи данного метода, но с принципиально меньшим результатом (в отношении параметра сигнал/шум) можно достичь повышения чувствительности монохромного канала устройства и при использовании в качестве фотоприемника для датчиков ЦТС 1-7 и 1-8 матрицы ПЗС с организацией «строчный перенос», если суммирование зарядовых пакетов производить в экранированных от света вертикальных ПЗС-регистрах сенсорной мишени.

На тактовый вход ФИ 1-7(8)-2-5 накопления подаются с временного контроллера 1-7(8)-2-1 кадровые синхроимпульсы - КСИ (см. фиг.13а), которые далее поступают на счетный вход счетчика интервала nТ_к. Емкость счетчика составляет n кадров, т.е. nТ_к, а вырабатываемый сигнал следует с периодом (n+1)Т_к (см. фиг.13б). На выходе счетчика этот сигнал дополнительно задерживается на величину длительности КСИ (см. фиг.13в).

Выходной сигнал счетчика в другом масштабе представлен на фиг.14а. Если на фазный вход ФИ 1-7(8)-2-5 с временного контроллера 1-7(8)-2-1 подаются трехфазные импульсные последовательности (см. фиг.14б…г), то с выхода ФИ 1-7(8)-2-5 будут сниматься преобразованные последовательности, как показано соответственно на фиг.14д…ж.

В результате в фотоприемнике ЦТС 1-7 и в фотоприемнике ЦТС 1-8 зарядовые пакеты, накопленные в секции 1-7(8)-1-1, складываются в секции памяти 1-7(8)-1-2. Поэтому в композитном видеосигнале на выходе ЦТС 1-7 и на выходе ЦТС 1-8 отношение сигнал /шум увеличивается в n раз, а сам сигнал изображения будет следовать с периодом (n+1)Т_к, т.е. с пропуском на величину временного интервала nТ_к, как представлено на фиг.14з.

Каждый из мультиплексоров 1-9 и 1-10 предназначен для объединения двух видеосигналов на единственную магистраль. Электрическая схема каждого из мультиплексоров 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].

Рассмотрим назначение отдельных блоков суточного коммутатора видеосигналов 1-11.

Селектор 1-11-1 синхроимпульсов предназначен для выделения из аналогового композитного видеосигнала первого датчика ЦТС 1-5 строчных и кадровых синхроимпульсов.

ФИ 1-11-2 записи и сброса служит для выполнения импульсного управления (с периодом кадров Т_к) детектором 1-11-3 видеосигнала и блоком 1-11-4 выборки-хранения. Электрическая схема ФИ 1-11-2 является, по сути, схемой цифровой задержки, опубликованной в [7, с.138].

На фиг.12б показаны кадровые синхроимпульсы с выхода селектора 1-11-1. Импульс управления блоком 1-11-2 - импульс записи (см. фиг.12в) формируется по спаду кадрового синхроимпульса. Импульс управления блоком 1-11-4 - импульс сброса (см. 12г) вырабатывается по спаду импульса записи. Длительность выходных импульсов ФИ 1-11-2 составляет период строки Т_с.

Детектор 1-11-3 видеосигнала (по пиковому значению параметра по двум входам), блок 1-11-4 выборки-хранения и компаратор 1-1-11-5 могут быть выполнены с использованием операционных усилителей по известным схемам (см., например, [8, с.231, с.247]).

Коммутатор 1-11-6 предназначен для вывода по команде с компаратора 1-11-5 на выход блока 1-1, а, следовательно, и телевизионной камеры либо мультиплексного цифрового телевизионного сигнала цветного изображения от датчиков 1-5 и 1-6, либо мультиплексного цифрового телевизионного сигнала черно-белого изображения от датчика 1-7 и 1-8.

Функция демультиплексирования (разделения) сигналов реализуется на плате видео сервера. Там же выполняется и преобразование «кольцевых» кадров изображения, формируемых датчиками 1-5, 1-6, 1-7 и 1-8 в «прямоугольные» кадры. Отметим, что операция считывания этих «прямоугольных» кадров включает и коррекцию программным путем геометрических искажений соответствующего участка панорамного изображения.

Кроме этого, плата видео, установленная в свободный слот на материнской плате сервера 2, выполняет следующие функции:

- ввод «кольцевого» цифрового цветного или соответственно монохромного видеосигнала в первый и второй блоки оперативной памяти;

- преобразование выходного «кольцевого» кадра черно-белого изображения или «кольцевого» кадра цветного изображения в соответствующие «прямоугольные» кадры путем считывания видеосигнала из этих блоков оперативной памяти.

Отметим, что ввод цифрового цветного видеосигнала в оперативную память и вывод из нее этого сигнала изображения производится с периодом Т_к, ввод цифрового монохромного видеосигнала - с периодом nТ_к, а вывод из нее - с периодом Т_к, где Т_к - длительность кадра, n - число суммируемых кадров.

Устройство панорамного телевизионного наблюдения «день - ночь» (см. фиг.1) работает следующим образом. Телевизионная камера 1 устанавливается в фиксированное положение, например, при помощи фотоштатива (на фиг.1 он не показан).

«Кольцевое» изображение наблюдаемой сцены, формируемое панорамным объективом 1-1, по оптическому пути: первая светоделительная грань призмы светоделителя 1-2-1, вторая светоделительная грань призмы светоделителя 1-2-1, спектроделительная грань призмы корректирующего светофильтра 1-2-2, вторая грань призмы корректирующего светофильтра 1-2-2 проецируется в видимом спектральном диапазоне на входное окно первой ВОН 1-3. Одновременно оптический кадр панорамного объектива 1-1 по другому оптическому пути: первая светоделительная грань призмы светоделителя 1-2-1, вторая светоделительная грань призмы светоделителя 1-2-1, третья грань призмы светоделителя 1-2-1 во всем спектральном диапазоне (видимом и инфракрасном) проецируется на входное окно второй ВОН 1-4. Отметим, что инфракрасная область спектра последнего изображения дополнительно усиливается за счет светового потока, отраженного спектроделительной гранью призмы корректирующего светофильтра 1-2-2 в направлении третьей грани призмы светоделителя 1-2-1 (см. ход оптических лучей на фиг.15).

Будем полагать для упрощения, что мишени фотоприемников датчиков 1-5, 1-6, 1-7 и 1-8 имеют формат 1:1.

При помощи жгутов ВОН 1-5 периферийная часть кольцевого оптического изображения с первого выхода светоделителя 1-2 проецируется на мишень фотоприемника первого датчика 1-5, а центральная часть этого кольцевого изображения - на мишень фотоприемника второго датчика 1-6.

Одновременно и совершенно аналогично при помощи жгутов ВОН 1-4 периферийная часть кольцевого оптического изображения со второго выхода светоделителя 1-2 проецируется на мишень фотоприемника третьего датчика 1-7, а центральная часть этого кольцевого изображения - на мишень фотоприемника четвертого датчика 1-8.

Фотоприемник первого датчика 1-5 формирует аналоговый видеосигнал цветного изображения 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.6 пассивная область мишени отмечена компьютерной заливкой-штриховкой от центра.

Мишень фотоприемника второго датчика 1-6 вписана по высоте в этот вертикальный размер пассивной области мишени фотоприемника датчика 1-5, как показано на фиг.8. Область, занимаемая на мишени световодным жгутом 41 (на фиг.8 она тоже помечена штриховкой-заливкой), будет являться пассивной. Матрица ПЗС второго датчика точно также считывает с оптимальной скоростью только те пикселы на мишени, которые не являются бесполезными для такого преобразования, т.е. исключается формирование видеосигнала цветного изображения для небольшой по площади, но априори пассивной области мишени.

Аналогичная ситуация происходит и для датчиков 1-7, 1-8 в параллельном канале монохромного изображения.

В результате фотоэлектрических и последующих аналого-цифровых преобразований видеосигнала на выходе датчика ЦТС 1-5 и выходе датчика 1-6 формируется цифровой телевизионный сигнал цветного изображения наблюдаемой сцены, а на выходе датчика 1-7 и соответственно датчика 1-8 - цифровой телевизионный сигнал черно-белого изображения для той же сцены.

Затем оба этих цветных видеосигнала и соответственно оба этих монохромных видеосигнала при помощи мультиплексоров 1-9, 1-10 по единственным линиям связи поступают на информационные входы суточного коммутатора видеосигналов 1-11.

Селектор 1-11-1 выделяет из аналогового композитного цветного видеосигнала датчика ЦТС 1-5 (см. фиг.12а) строчные и кадровые синхроимпульсы (см. фиг.12б), а ФИ 1-11-2 вырабатывает в пределах каждого кадрового гасящего импульса следующие с периодом Т_к импульсы записи и сброса (см. соответственно фиг.12в и фиг.12г).

Детектор 1-11-3 с периодом Т_к измеряет наибольшее значение (пиковый уровень) видеосигнала от двух датчиков 1-5 и 1-6 (см. фиг.12д), блок 1-11-4 выборки-хранения запоминает его на время Т_к (см. фиг.12е), а компаратор 1-11-5 оценивает выходное напряжение, сравнивая его с пороговым напряжением U_n (см. фиг.12ж).

Предположим, что устройство панорамного телевизионного наблюдения работает в дневное время суток, т.е. в режиме «день». Тогда компаратор 1-11-5 не изменяет своего состояния по выходу, поддерживая состояние логической «1» (см. диаграмму на фиг.12ж), а, следовательно, на выход телевизионной камеры передается мультиплексный цифровой телевизионный сигнал с выхода первого мультиплексора 1-9. Затем этот «кольцевой» видеосигнал цветного изображения по линии связи между телевизионной камерой 1 и сервером 2 поступает на плату видео, где подвергается операции демультиплексирования, т.е. разделяется на два канала. Далее цветной видеосигнал каждого из двух кольцевых изображений вводится (записывается) в блоки оперативной памяти.

Предположим, что текущий угол поля зрения (γ_г) предъявляемого панорамного изображения составляет 60 градусов по горизонтали, тогда «кольцевой» кадр записи для первого из этих изображений включает 6 (шесть) условных областей (см. фиг.7), а «кольцевой» кадр записи для второго изображения тоже включает 6 условных областей (см. фиг.9). Очевидно, что последние области 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.7 или фиг.9 соответственно) операторам локальной вычислительной сети. В нашем примере две эти последовательности содержат 12 различных изображений.

Это означает, что площадь захватываемого оптического пространства для оператора по сравнению с прототипом увеличивается в два или почти в два раза, если принимать в расчет возможное взаимное перекрытие предлагаемых 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, тачпад или «мышь». Оператор каждого ноутбука 3 может осуществить селекцию предлагаемого сервером 2 изображения и его вывод на экран дисплея.

Предположим, что устройство панорамного телевизионного наблюдения работает в вечернее или ночное время. Тогда на выходе компаратора 1-11-5 устанавливается состояние логического «0» (см. фиг.12ж). В результате на выход телевизионной камеры передается мультиплексный цифровой телевизионный сигнал с выхода второго мультиплексора 1-10, а по линии связи на плату видео сервера 2 поступает «кольцевой» видеосигнал черно-белого изображения.

В зависимости от освещенности наблюдаемой сцены в секциях памяти 1-7-1-2 и 1-8-1-2 матриц ПЗС для датчиков 1-7 и 1-8 будет реализовано сложение такого числа зарядовых пакетов кадров, чтобы обеспечить оптимальное накопление фотоприемника и формирование на выходе датчика монохромного изображения с максимально возможным отношением сигнал/шум.

В остальном же работа устройства панорамного наблюдения в это время суток не отличается от его работы в дневное время.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в том, что оператору ноутбука по сравнению с прототипом предлагается цветное изображение днем и черно-белое изображение вечером и ночью в автоматическом режиме переключения с увеличенной площадью захватываемого изображения и с повышенным отношением сигнал/шум для монохромного изображения.

По сравнению с прототипом число фотоприемников телевизионной камеры увеличивается с одного до четырех, но в качестве этих фотоприемников допустимо «безболезненное» использование матриц ПЗС, имеющих технологические дефекты в центральной области мишени.

В настоящее время все элементы структурной схемы устройства панорамного телевизионного наблюдения «день-ночь» освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью. Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2371880, МПК H04N 7/00. Способ панорамного телевизионного наблюдения и устройство для его осуществления. / В.М. Смелков // БИ. - 2009. - №30.

2. Патент РФ №2185645, МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // БИ. - 2002. - №20.

3. Бабенко B.C. Оптика телевизионных устройств. М.: «Радио и связь», 1982.

4. 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.

5. Хромов Л.И., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Видеоинформатика. Передача и компьютерная обработка видеоинформации. - М.: «Радио и связь», 1991.

6. Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. Перевод с англ. - М.: «Мир», 1985.

7. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, в трех томах. М.: «Мир», том 2, 1983.

8. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, в трех томах. М.: «Мир», том 1, 1983.

Изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению. Техническим результатом является предоставление оператору цветного изображения днем и черно-белого изображения вечером или ночью в автоматическом режиме переключения и с повышенным отношением сигнал/шум для монохромного изображения при одновременном увеличении площади кольцевого изображения. Результат достигается тем, что наблюдение 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 сервер локальной вычислительной сети вводятся в автоматическом режиме в зависимости от времени суток панорамные изображения цветного или черно-белые изображения с увеличенной площадью захватываемого изображения, причем монохромные видеосигналы регистрируются в нем с повышенным отношением сигнал/шум. 5 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Устройство панорамного телевизионного наблюдения «день-ночь», содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, при этом телевизионная камера прототипа состоит из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и датчика цифрового телевизионного сигнала (датчика ЦТС), а в разъем расширения на материнской плате сервера прототипа установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управления 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 m «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:
$$m=\frac{360}{{\gamma }_{г}},\left(\text{1}\right)$$
где γ_г - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем, отличающееся тем, что в состав телевизионной камеры введены оптический блок, вход которого оптически связан с оптическим кадром панорамного объектива, первый выход оптического блока оптически связан с первой волоконно-оптической насадкой (ВОН), а второй выход оптического блока - со второй ВОН, второй датчик ЦТС, синхронизированный по частоте и фазе с первым датчиком ЦТС по сигналу синхронизации приемника (ССП), третий и четвертый датчики ЦТС, причем четвертый датчик ЦТС по ССП синхронизирован с третьим датчиком ЦТС, а также первый мультиплексор, первый информационный вход которого подключен к выходу цифрового телевизионного сигнала первого датчика ЦТС, второй информационный вход первого мультиплексора - к выходу цифрового телевизионного сигнала второго датчика ЦТС, вход синхронизации первого мультиплексора - к выходу синхросигнала первого датчика ЦТС, при этом мишень фотоприемника первого датчика ЦТС состыкована через волоконно-оптическое сочленение с периферийными световодными жгутами первой ВОН, а ее центральные световодные жгуты - с мишенью фотоприемника второго датчика ЦТС, а также второй мультиплексор, первый информационный вход которого подключен к выходу цифрового телевизионного сигнала третьего датчика ЦТС, второй информационный вход второго мультиплексора - к выходу цифрового телевизионного сигнала четвертого датчика ЦТС, вход синхронизации второго мультиплексора - к выходу синхросигнала третьего датчика ЦТС, при этом мишень фотоприемника третьего датчика ЦТС состыкована через волоконно-оптическое сочленение с периферийными световодными жгутами второй ВОН, а ее центральные световодные жгуты - с мишенью фотоприемника четвертого датчика ЦТС, причем выход первого мультиплексора подключен к первому информационному входу суточного коммутатора видеосигналов, второй информационный вход которого - к выходу второго мультиплексора, первый управляющий вход суточного коммутатора видеосигналов - к выходу аналогового телевизионного сигнала первого датчика ЦТС, второй управляющий вход суточного коммутатора видеосигналов - к выходу аналогового телевизионного сигнала второго датчика ЦТС, а выход суточного коммутатора видеосигналов является выходом «видео» телевизионной камеры, при этом первый и второй датчики ЦТС являются датчиками цветного сигнала изображения и выполнены на основе матриц ПЗС с организацией «строчный перенос», а третий и четвертый датчики ЦТС являются датчиками черно-белого сигнала изображения и выполнены на основе матриц ПЗС с организацией «строчно-кадровый перенос», в состав третьего и соответственно четвертого датчиков ЦТС дополнительно введен формирователь импульсов (ФИ) накопления, обеспечивающий в секции памяти матрицы ПЗС суммирование зарядовых пакетов, сформированных в фотоприемной секции, а плата видео сервера дополнительно содержит демультиплексор и второй БПКП, вход которого подключен к выходу второго блока оперативной памяти на кадр, а выход второго БПКП - к выходу «сеть» сервера, при этом число формируемых «прямоугольных» кадров удовлетворяет соотношению (1), а операции демультиплексирования входного видеосигнала и преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры выполняются в сервере программным путем, причем плата видео сервера обеспечивает ввод цифрового цветного видеосигнала в оперативную память и вывод из нее этого сигнала изображения с периодом Т_к, а ввод цифрового монохромного видеосигнала - с периодом nТ_к, а вывод - с периодом Т_к, где Т_к - длительность кадра, n - число суммируемых кадров.

2. Устройство панорамного телевизионного наблюдения по п.1, отличающееся тем, что оптический блок содержит светоделитель и корректирующий светофильтр, при этом светоделитель выполнен в виде призмы с двумя светоделительными гранями, расположенными под углом 30°, причем первая светоделительная грань призмы является входом светоделителя, вторая светоделительная грань - первым выходом светоделителя, третья грань призмы, расположенная под углом 60° по отношению к первой ее грани, - вторым выходом светоделителя, а корректирующий светофильтр выполнен в виде призмы с одной спектроделительной гранью, которая является входом корректирующего светофильтра и расположена под углом 30° по отношению к ее второй грани, которая является выходом корректирующего светофильтра, при этом первый выход светоделителя оптически связан с входом корректирующего светофильтра, причем вторая светоделительная грань призмы светоделителя установлена вплотную к спектроделительной грани призмы корректирующего светофильтра, при этом выход корректирующего светофильтра является первым выходом оптического блока, а второй выход светоделителя - вторым выходом оптического блока.

3. Устройство панорамного телевизионного наблюдения по п.1, отличающееся тем, что панорамный объектив, светоделитель, корректирующий светофильтр, первая и вторая волоконно-оптические насадки (ВОН) выполнены в одном оптическом приборе.

4. Устройство панорамного наблюдения по п.1, отличающееся тем, что фотоприемник третьего и четвертого датчиков ЦТС телевизионной камеры выполнен на основе матрицы ПЗС с организацией «строчный перенос», а суммирование зарядовых пакетов, накопленных в течение кадра в светочувствительных элементах мишени фотоприемника, производится в экранированных от света вертикальных ПЗС-регистрах мишени.

5. Устройство панорамного телевизионного наблюдения по п.1, отличающееся тем, что формат мишени фотоприемника второго датчика ЦТС меньше формата мишени фотоприемника первого датчика ЦТС, а формат мишени фотоприемника четвертого датчика ЦТС меньше формата мишени третьего датчика ЦТС при одинаковых геометрических размерах их матричных пикселов (элементов изображения).

6. Устройство панорамного наблюдения по п.1, отличающееся тем, что суточный коммутатор видеосигналов содержит последовательно соединенные селектор синхроимпульсов и формирователь импульсов (ФИ) записи и сброса, а также последовательно соединенные детектор видеосигналов, блок выборки-хранения и компаратор, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению, а выход - к управляющему входу коммутатора, при этом управляющий вход блока выборки-хранения подключен к первому выходу ФИ записи и сброса, второй выход которого подключен к управляющему входу детектора видеосигналов, причем вход селектора синхроимпульсов объединен с первым информационным входом детектора и является первым управляющим входом суточного коммутатора, второй информационный вход детектора видеосигналов - вторым управляющим входом суточного коммутатора, первый информационный вход коммутатора - первым информационным входом суточного коммутатора, второй информационный вход коммутатора - вторым информационным входом суточного коммутатора, а выход коммутатора - выходом суточного коммутатора.