УСТРОЙСТВО ПАНОРАМНОГО НАБЛЮДЕНИЯ "ДЕНЬ-НОЧЬ" И ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК H04N7/00 

Предлагаемая группа изобретений содержит два изобретения по техническим решениям «устройство» и имеет отношение 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 первому заявляемому изобретению следует считать устройство панорамного наблюдения «день-ночь» [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, а 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», и выполняющая программным путем разделения 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 обычное изображение, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:

где γ_г - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения.

Недостаток прототипа устройства панорамного наблюдения - отсутствие автоматического выбора характера изображения (цветного или черно-белого) в зависимости от времени суток.

Наиболее близким по технической сущности ко второму заявляемому изобретению следует считать устройство телевизионной камеры [1], состоящей из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и светоделителя, первый выход которого оптически связан с мишенью фотоприемника первого датчика цифрового телевизионного сигнала (датчика ЦТС), а второй выход светоделителя - с мишенью фотоприемника второго датчика ЦТС, который синхронизирован по частоте и фазе с первым датчиком ЦТС по сигналу синхронизации приемника (ССП), при этом выход первого датчика ЦТС подключен к первому информационному входу мультиплексора, второй информационный вход которого подключен к выходу второго датчика ЦТС, вход синхронизации мультиплексора - к выходу кадровых синхроимпульсов первого датчика ЦТС, а выход мультиплексора является выходом «видео» телевизионной камеры.

Для датчиков ЦТС телевизионной камеры прототипа ее важнейший компонент - фотоприемник, который является матрицей, выполненной по технологии приборов с зарядовой связью (матрицей ПЗС) [2]. Она имеет прямоугольную форму мишени и содержит на общем кристалле фотоприемную секцию, выходной горизонтальный регистр и преобразователь «заряд - напряжение» (БПЗН). Такая схемотехническая организация матричного фотоприемника на ПЗС получила первоначальное название «межстрочный перенос» [2, с. 167]. В последнее время эту организацию матрицы ПЗС чаще упрощенно называют «строчный перенос» (см., например [3, с. 135]).

Фотоприемная секция такого матричного сенсора обеспечивает накопление зарядовых пакетов в светочувствительных элементах, в качестве которых используются фотодиоды, организованные в линейки столбцов. В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится нечувствительный к свету вертикальный ПЗС-регистр сдвига, отделенный от фотодиодов фотозатвором. В интервале прямого хода кадровой развертки, когда на фотозатвор подается низкий уровень напряжения, обеспечивающий потенциальный барьер между фотодиодами и вертикальным ПЗС-регистром, происходит накопление зарядовых пакетов. По окончании накопления на фотозатвор кратковременно (в интервале обратного хода по кадру) подается высокий уровень напряжения, разрешающий перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в вертикальных ПЗС-регистрах сдвига. В последующем интервале прямого хода по кадру зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров переносятся (в интервалах обратного хода строчной развертки) строка за строкой вниз по направлению к горизонтальному выходному регистру сдвига. Каждая зарядовая строка изображения затем поэлементно считывается через БПЗН, образуя на выходе «видео» фотоприемника электрический видеосигнал.

Матрицы ПЗС с организацией «строчный перенос» могут формировать как черно-белый (монохромный) видеосигнал, так и сигнал цветного изображения. Отметим, что наиболее распространены цветные матрицы ПЗС со встроенным цветным мозаичным фильтром, которые являются единственным фотоприемником в составе телевизионной камеры. Сам же мозаичный фильтр разделяет свет на голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты, см., например [3, с. 154-155].

Недостаток матричного фотоприемника для телевизионной камеры панорамного наблюдения заключается в том, что его организация с выполнением прямоугольной формы мишени не является благоприятной (оптимальной) применительно к кольцевому оптическому изображению контролируемой сцены, которую формирует панорамный объектив.

Обоснованием этого утверждения служит необходимость иметь для фотоприемника высокое число элементов (пикселов) по горизонтали и вертикали.

Это следует из того, что для исключения потерь по углу места в оптическом панорамном изображении на входе следует вписать его полностью в прямоугольник мишени матрицы ПЗС.

При этом значительная часть пикселов матрицы является бесполезной, т.к. не несет информации о наблюдаемом сюжете, но принудительно используется при формировании видеосигнала в телевизионной камере.

Каждый из датчиков ЦТС телевизионной камеры прототипа выполнен на матрице ПЗС с организацией «строчный перенос» и содержит в своем составе фотоприемник, состоящий из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, горизонтального регистра и БПЗН; генератор управляющих импульсов, состоящий из временного контроллера, первого преобразователя уровней (ПУ) и второго ПУ; а также последовательно соединенных сигнального процессора и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), причем управляющий вход фотоприемной области матрицы ПЗС подключен к выходу первого ПУ, управляющий вход горизонтального регистра матрицы ПЗС - к выходу второго ПУ, а выход БПЗН матрицы ПЗС - к информационному входу сигнального процессора, выход управления экспозицией которого подключен к управляющему входу временного контроллера, первый выход которого подключен к входу первого ПУ, второй выход - к входу второго ПУ, третий выход - к входу синхронизации сигнального процессора, а четвертый выход - к тактовому входу АЦП.

Задача изобретения - предоставление оператору цветного изображения днем и черно-белого изображения вечером и ночью в автоматическом режиме переключения и с выполнением оптимизации фотоприемника за счет использования для него кристалла мишени в форме кругового кольца и с организацией в телевизионной камере «кольцевого» растра изображения.

Поставленная задача в заявляемом устройстве панорамного 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 обеспечивает развертку аналогового видеосигнала фотоприемника и формирование на выходе цифрового телевизионного сигнала, а в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управления и питанию с шиной сервера, содержащая БПКП, вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), а само это преобразование выполняется программным путем, реализуется следующее изменение, а именно: телевизионная камера формирует не «прямоугольный», а «кольцевой» растр изображения, передавая на выход цифровой композитный видеосигнал цветного или черно-белого изображения в зависимости от времени суток на объекте наблюдения.

Поставленная задача в заявляемой телевизионной камере решается тем, что в устройство прототипа [1], содержащее панорамный объектив, первый датчик ЦТС, второй датчик ЦТС, синхронизированный по частоте и фазе с первым датчиком ЦТС по импульсам ССП, причем каждый из датчиков ЦТС содержит фотоприемник, состоящий из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, выходного регистра и БПЗН, причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов чередуются с линейками экранированных от света элементов; генератор управляющих импульсов, состоящий из временного контроллера, первого и второго ПУ; а также последовательно соединенные сигнальный процессор и АЦП, причем управляющий вход фотоприемной области матрицы ПЗС подключен к выходу первого ПУ, управляющий вход горизонтального регистра матрицы ПЗС - к выходу второго ПУ, а выход БПЗН матрицы ПЗС - к информационному входу сигнального процессора, выход управления экспозицией которого подключен к управляющему входу временного контроллера, первый выход которого подключен к входу первого ПУ, второй выход - к входу второго ПУ, третий выход - к входу синхронизации сигнального процессора, а четвертый выход - к тактовому входу АЦТ, введены оптический блок, а также последовательно соединенные селектор синхроимпульсов и формирователь импульсов (ФИ) записи и сброса, последовательно соединенные детектор видеосигналов, блок выборки-хранения и компаратор, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению, а выход - к управляющему входу коммутатора, первый информационный вход которого подключен к выходу цифрового телевизионного сигнала первого датчика ЦТС, второй информационный вход коммутатора - к выходу цифрового телевизионного сигнала второго датчика ЦТС, а выход коммутатора является выходом «видео» телевизионной камеры, при этом вход оптического блока оптически связан с оптическим кадром панорамного объектива, первый выход оптического блока - с мишенью фотоприемника первого датчика ЦТС, а второй выход оптического блока - с мишенью фотоприемника второго датчика ЦТС, при этом аналоговый выход телевизионного сигнала первого датчика ЦТС, который является датчиком цветного сигнала изображения, подключен соответственно к входу селектора синхроимпульсов и к информационному входу детектора видеосигналов, а второй датчик ЦТС является датчиком черно-белого сигнала изображения, при этом управляющий вход блока выборки-хранения подключен к первому выходу ФИ записи и сброса, второй выход которого подключен к управляющему входу детектора видеосигналов, при этом генератор управляющих импульсов прототипа каждого из датчиков ЦТС прототипа является блоком «кольцевой» развертки видеосигнала заявляемой телевизионной камеры, а фотоприемник каждого из датчиков ЦТС имеет форму кругового кольца, у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там выходному регистру, который является «кольцевым», причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области равно числу элементов в «кольцевом» регистре, а фотоприемная область первого датчика ЦТС накрыта цветным «кольцевым» фильтром, который разделяет световой поток, попадающий на светочувствительные элементы, соответственно на его голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты.

Заявляемая телевизионная камера формирует не «прямоугольный», а «кольцевой» растр изображения. Она является неотъемлемым элементом (блоком) заявляемого устройства панорамного наблюдения «день-ночь».

Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемое устройство панорамного наблюдения отличается реализацией телевизионной камеры, которая максимально приспособлена (оптимизирована) не только к условиям «день-ночь», но и к оптическому изображению панорамного сюжета.

По отношению к прототипу [1] заявляемая телевизионная камера отличается геометрической формой выполнения фотоприемников для каждого из двух датчиков ЦТС, обеспечивающей реализацию нового («кольцевого») растра изображения при сохранении ПЗС-технологии изготовления сенсора и, что не менее важно, при сохранении требуемых для матрицы ПЗС (с такой информационной емкостью) сигналов управления.

Совокупность известных и новых признаков для каждого из этих двух устройств не известна из уровня техники, поэтому оба предлагаемые технические решения соответствуют критерию новизны.

Следовательно, заявляемое решение содержит группу изобретений, образующих единый изобретательский замысел для случая, когда условием объединения в группу является предназначенность одного объекта для осуществления в другом.

Применительно к предлагаемому решению условие единого изобретательского замысла соблюдено, т.к. объект изобретения - устройство телевизионной камеры предназначено для осуществления в другом объекте - устройстве панорамного наблюдения «день-ночь».

В заявляемом решении для обоих фотоприемников не требуется чрезмерно высокая информационная емкость, сокращается и избыточная полоса пропускания канала связи телевизионной камеры с сервером. Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема первого заявляемого изобретения - устройства панорамного телевизионного наблюдения «день-ночь», включая и структурную схему телевизионной камеры, представляющей второе заявляемое изобретение; на фиг. 2 показана оптическая схема оптического блока телевизионной камеры; на фиг. 3, по данным [4], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 4 приведена типовая схема организации фотоприемников для первого и второго датчиков ЦТС; на фиг. 5 показан фрагмент фотоприемника для первого датчика ЦТС, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 6 - типовая структурная схема для первого и второго датчиков ЦТС; на фиг. 7 и 8 представлены дополнительные возможности по улучшению типовой схемы организации фотоприемников; на фиг. 9 - временная диаграмма, поясняющая работу телевизионной камеры; на фиг. 10 - структурная схема второго датчика ЦТС с дополнительным блоком формирователя импульсов (ФИ); на фиг. 11 - функциональная схема этого ФИ; на фиг. 12 и 13 - временные диаграммы, поясняющие работу ФИ; на фиг. 14 схематически показано возможное содержимое оперативной памяти сервера, где записано кольцевое панорамное изображение, воспринимаемое фотоприемником, когда каждая «кольцевая» строка при записи «разбита» на шесть составляющих; на фиг. 15 - предлагаемое оператору это панорамное изображение в виде последовательности из 6-ти «прямоугольных» кадров; на фиг. 16 - возможная структурная схема для выполнения сетевого компьютерного решения с использованием заявляемых устройств.

Заявляемое устройство панорамного 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, причем сама телевизионная камера в зависимости от времени суток формирует «кольцевой» растр цветного или черно-белого изображения, при этом на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, выполняющая программным путем запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера и преобразование «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1).

Заявляемая телевизионная камера, см. фиг. 1, содержит последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив 1-1, оптический блок 1-2, первый выход которого оптически связан с мишенью фотоприемника первого датчика ЦТС 1-3, а второй выход оптического блока - с мишенью фотоприемника второго датчика ЦТС 1-4, который синхронизирован по частоте и фазе с первым датчиком ЦТС 1-3 по импульсам ССП, при этом фотоприемник каждого из датчиков ЦТС, см. фиг. 4, имеет форму кругового кольца, у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области 1-2-1 расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру 1-2-2, оканчивающемуся БПЗН 1-2-3, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области равно числу элементов в «кольцевом» регистре, а фотоприемная область первого датчика ЦТС накрыта цветным «кольцевым» фильтром, см. фиг. 5, который разделяет световой поток, попадающий на светочувствительные элементы, соответственно на его голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты; каждый из датчиков ЦТС содержит в своем составе, см. фиг. 6, блок «кольцевой» развертки 1-3 и последовательно соединенные сигнальный процессор 1-4 и АЦП 1-5; дополнительно к этому телевизионная камера содержит в своем составе, см. фиг. 1, последовательно соединенные селектор 1-5 синхроимпульсов и ФИ 1-6 записи и сброса, а также последовательно соединенные детектор 1-7 видеосигналов, блок 1-8 выборки-хранения и компаратор 1-9, при этом аналоговый выход телевизионного сигнала первого датчика ЦТС 1-3 подключен соответственно к входу селектора 1-5 синхроимпульсов и к информационному входу детектора 1-7 видеосигналов, а цифровой выход телевизионного сигнала датчика 1-3 - к первому информационному входу коммутатора 1-10, второй информационный вход которого подключен к цифровому выходу телевизионного сигнала второго датчика ЦТС 1-4, а управляющий вход коммутатора 1-10 подключен к выходу компаратора 1-9, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению U_n, при этом управляющий вход блока 1-8 выборки-хранения подключен к первому выходу ФИ 1-6, второй выход которого подключен к управляющему входу детектора 1-7 видеосигнала, а выход коммутатора 1-10 является выходом «видео» телевизионной камеры.

Каждый из фотоприемников обоих датчиков ЦТС, см. фиг. 4-5, реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-2-1 с последующим поэлементным считыванием зарядов в «кольцевом» регистре 1-2-2 и формированием на выходе БПЗН 1-2-3 напряжения видеосигнала в аналоговой форме. При этом в интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности панорамного сюжета в светочувствительных пикселах фотоприемной области 1-2-1. В течение кратковременного промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки открывается фотозатвор, и заряды всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, переносятся (за один шаг поворота) в экранированные от света пикселы, расположенные на той же области 1-2-1.

Затем фотозатвор закрывается и в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода по строке новыми зарядами «кольцевой» регистр 1-2-2.

Фотоприемник первого датчика ЦТС 1-3 является единственным сенсором видеосигнала цветного изображения, в котором, благодаря применению цветного «кольцевого» фильтра, пикселы ПЗС становятся чувствительными к дополнительным цветам - голубому (Cy), желтому (Ye), пурпурному (Mg) и зеленому (G). Конструкция этого фотоприемника представлена на фиг. 5.

Здесь используется известный принцип цветного телевидения, утверждающий, что для успешного восстановления цвета, помимо сигнала яркости (Y), достаточно всего двух дополнительных сигналов. Имеются в виду сигнал цветовой разности красного (R-Y) и сигнал цветовой разности синего (В-Y).

Отметим, что именно этот принцип реализован в конструкции мозаичного фильтра для фотоприемника в широко распространенных цветных одноматричных телевизионных камерах, см., например [3, с. 155].

В заявляемом решении для «кольцевого» ПЗС-фотоприемника первого датчика ЦТС 1-3 используется режим накопления поля, т.е. длительность экспозиции для всех светочувствительных пикселов фотомишени 1-2-1 одинакова и составляет 20 мс.

Аналогично режиму, применяемому в одноматричных цветных камерах, здесь перед считыванием в «кольцевом» регистре 1-2-2 зарядовые пакеты соседних (в радиальном направлении) пикселов фотомишени объединяются попарно, причем по-разному для последовательно считываемых нечетных и четных «кольцевых» строк формируемого изображения, как показано на фиг. 5.

Отметим, что, поскольку размер светочувствительного элемента в режиме накопления поля равен размеру двух пикселов матрицы по вертикали, это приводит к снижению вертикальной разрешающей способности цветного изображения.

Первая строка содержит попарные отсчеты: (Mg + Cy), (G + Ye), (Mg + Cy), (G + Ye) и так далее.

Вторая строка: попарные отсчеты: (Cy + G), (Ye + Mg), (Cy + G), (Ye + Mg) и так далее.

Очевидно, что третья и другие последующие нечетные строки будут содержать такие же попарные отсчеты, как и первая строка, а четвертая и другие последующие четные строки - такие же попарные отсчеты, как и вторая строка.

Для получения яркостного сигнала для нечетных строк производится операция по аналогичному в [3, с. 155] алгоритму, который заключается в том, что выполняется задержка по времени на элемент разложения «кольцевого» поворота и суммирование попарных отсчетов:

Коэффициент Ѕ в формуле (2) возвращает «должок», приобретенный за счет суммирования зарядов в попарных отсчетах.

Очевидно, что выражение (2) можно представить так:

Применив аналогичный алгоритм для четных строк, получим следующее выражение для яркостного сигнала:

Аналогично представим выражение (4) в основных цветах:

Выражения (3) и (5) показывают, что яркостной сигнал для нечетных и четных строк одинаков.

Для получения цветоразностного сигнала синего (B-Y) выполняется операция по другому алгоритму, который заключается в том, что для нечетных строк выполняется задержка по времени на элемент разложения и вычитание попарных отсчетов:

Для получения цветоразностного сигнала красного (R-Y) выполняется операция по алгоритму, аналогичному при получении цветоразностного сигнала синего, но применительно для четных строк:

Эти два цветоразностных сигнала совместно с сигналом яркости замешиваются в композитный сигнал (CVBS) в системе PAL точно так же, как это выполняется в одноматричных цветных телевизионных камерах с мозаичным фильтром. CVBS - аббревиатура от английских слов: «composite video bar signal» - полный видеосигнал.

Необходимо отметить, что для «кольцевых» фотоприемников телевизионной камеры электроды переноса в фотоприемной области 1-2-1 и в «кольцевом» регистре 1-2-2 могут быть выполнены с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца.

Чувствительность телевизионной камеры в канале черно-белого изображения может быть существенно повышена, если в состав второго датчика ЦТС 1-4 будет дополнительно введен формирователь импульсов (ФИ) 1-3-6, как показано на фиг. 10. Блок ФИ 1-4-2-4 предназначен для осуществления логического управления работой экранированных вертикальных регистров фотоприемной области с целью суммирования в ней зарядовых пакетов, сформированных на фотомишени.

Пусть l - число суммируемых кадров в вертикальных регистрах фотоприемной области. Тогда период следования цифрового монохромного видеосигнала, поступающего в оперативную память сервера 2, будет равен lT_к, а вывод из памяти, как и ранее, - T_к.

Следует подчеркнуть, что для организации «кольцевого» фотоприемника, предлагаемой на фиг. 4, число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области 1-2-1 одно и то же и совпадает с числом элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-2.

При равенстве геометрических размеров всех пикселов фотоприемной области 1-2-1 это приводит к неизбежному увеличению промежутков между ними по мере увеличения радиуса «кольцевой» строки и, как следствие, уменьшению разрешающей способности фотоприемника по мере движения к его внешней периферии.

Учитывая, что эта ситуация не всегда приемлема, возможным выходом из нее может стать создание для второго датчика ЦТС 1-4 «кольцевого» фотоприемника с другой организацией фотоприемной области. Как показано на фиг. 7, в таком приборе число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени различно и увеличивается по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, равной числу элементов в «кольцевом» регистре. Тогда в формируемом датчиком ЦТС 1-4 монохромном сигнале изображения будет поддерживаться неизменная четкость изображения по всей площади кадра. Но, с другой стороны, в видеосигнале каждой строки, удаленной от «кольцевого» регистра, появятся «пассивные» пикселы, которые не несут информации о сюжете, а передают лишь уровень темнового тока фотоприемника.

При прочих равных условиях отношение сигнал/шум для видеосигнала заявляемой телевизионной камеры в канале цветного или черно-белого изображения может быть принципиально повышено, если для фотоприемников обоих датчиков ЦТС будет применена усложненная схемотехническая организация, предусматривающая введение на кристалл дополнительной секции памяти, которая расположена между фотоприемной областью и «кольцевым» регистром.

Очевидно, что для монохромного фотоприемника с такой организацией может быть предусмотрен и вариант с переменным числом элементов в «кольцевых» строках фотоприемной области. Конструкция этого прибора показана на фиг. 8.

Такой фотоприемник может быть с успехом использован и для существенного повышения чувствительности монохромного изображения телевизионной камеры. Для этого необходимо выполнить следующее изменение, а именно: сложение зарядовых пакетов кадров производить не в фотоприемной области, а в секции памяти этого фотоприемника.

Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры, как и в прототипе, предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора (кольцевого изображения). В качестве технического решения для панорамного объектива 1-1, совпадающего с аналогичным решением для прототипа, может быть предложен панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами из Московского государственного университета геодезии и картографии [4].

Фотография кольцевого изображения, формируемого панорамным объективом, представлена на фиг. 3. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75-80) градусов по углу места.

Наличие пассивной (неинформативной) области в центре оптического кадра панорамного объектива подтверждает целесообразность выбора формы фотоприемников в пользу кругового кольца.

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

Оптический блок 1-2, см. фиг. 2, 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°, при этом 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.

В перспективе может быть разработано и специализированное техническое решение телевизионного панорамного объектива с интегрированным в его конструкцию светоделителем и корректирующим светофильтром, т.е. в нем блоки 1-1 и 1-2 выполнены в одном оптическом приборе.

Селектор 1-5 синхроимпульсов предназначен для выделения из аналогового композитного видеосигнала первого датчика ЦТС 1-3 строчных и кадровых синхроимпульсов.

ФИ 1-6 записи и сброса служит для выполнения импульсного управления (с периодом кадров T_к) детектором 1-7 и блоком 1-8. Электрическая схема ФИ 1-6 является, по сути, схемой цифровой задержки, опубликованной в [5, с. 138].

На фиг. 9a показаны кадровые синхроимпульсы с выхода селектора 1-5. Импульс управления блоком 1-8 - импульс записи (см. фиг. 9в) формируется по спаду кадрового синхроимпульса. Импульс управления блоком 1-7 - импульс сброса (см. фиг. 9 г) вырабатывается по спаду импульса записи. Длительность выходных импульсов ФИ 1-6 составляет период строки T_с.

Детектор 1-7 видеосигнала (по пиковому или по среднему значению параметра), блок 1-8 выборки-хранения и компаратор 1-9 могут быть выполнены с использованием операционных усилителей по известным схемам (см., например [6, с. 231, 247]).

Коммутатор 1-10 предназначен для вывода по команде с компаратора 1-9 на выход телевизионной камеры либо цифрового телевизионного сигнала цветного изображения от датчика 1-3, либо цифрового телевизионного сигнала черно-белого изображения от датчика 1-4.

Плата видео, установленная в свободный слот на материнской плате сервера 2, выполняет следующие функции:

- ввод «кольцевого» цифрового цветного или соответственно монохромного видеосигнала в оперативную память;

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

Отметим, что операция считывания этих «прямоугольных» кадров включает и коррекцию программным путем геометрических искажений соответствующего участка панорамного изображения точно так же, как это имеет место в прототипе [1].

Содержимое же оперативной памяти сервера 2, куда записывается кольцевое панорамное изображение, прокомментируем в контексте последующего описания заявочного решения.

Устройство панорамного 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 фотомишень первого датчика ЦТС 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 фотомишень второго датчика ЦТС 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.

В результате фотоэлектрических и последующих аналого-цифровых преобразований видеосигнала на выходе «видео 1» датчика ЦТС 1-3 формируется цифровой телевизионный сигнал цветного изображения, а на выходе «видео 2» датчика ЦТС 1-4 - цифровой телевизионный сигнал черно-белого изображения.

Селектор 1-5 выделяет из аналогового композитного цветного видеосигнала датчика ЦТС 1-3 (см. фиг. 9а) строчные и кадровые синхроимпульсы (см. фиг. 9б), а ФИ 1-5 вырабатывает в пределах каждого кадрового гасящего импульса следующие с периодом T_к импульсы записи и сброса (см. соответственно фиг. 9в и фиг. 9г).

Детектор 1-7 с периодом T_к измеряет уровень видеосигнала первого датчика 1-3 (см. фиг. 9), блок 1-8 выборки-хранения запоминает его на время T_к (см. фиг. 9е), а компаратор 1-9 оценивает выходное напряжение, сравнивая его с пороговым напряжением U_n (см. фиг. 9ж).

Предположим, что устройство панорамного телевизионного наблюдения работает в дневное время суток, т.е. в режиме «день». Тогда компаратор 1-9 не изменяет своего состояния по выходу, поддерживая состояние логической «1» (см. диаграмму на фиг. 9ж), а следовательно, на выход «видео» телевизионной камеры передается цифровой композитный видеосигнал с первого датчика 1-3. Затем «кольцевой» видеосигнал цветного изображения по линии связи между телевизионной камерой 1 и сервером 2 поступает на плату видео, а далее 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 включает 6 (шесть) условных областей.

Цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности (см. фиг. 15) операторам локальной вычислительной сети.

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.

Предположим, что устройство панорамного телевизионного наблюдения работает в вечернее или ночное время. Тогда на выходе компаратора 1-9 устанавливается состояние логического «0» (см. фиг. 9 ж).

В результате на выход телевизионной камеры передается цифровой композитный видеосигнал со второго датчика 1-4, а по линии связи на плату видео сервера 2 поступает «кольцевой» видеосигнал черно-белого изображения.

Пусть освещенность наблюдаемой панорамной сцены в вечернее или в ночное время такова, что начинает сказываться нехватка чувствительности телевизионной камеры из-за низкого отношения сигнал/шум на выходе датчика ЦТС 1-4. При этом в составе этого датчика содержится формирователь импульсов - ФИ 1-4-2-4, как показано на фиг. 10.

Устройство самого ФИ 1-4-2-4 представлено на фиг. 11.

Пусть в фотоприемнике 1-4-1 этого датчика использована трехфазная система управления зарядовыми пакетами, а в текущий момент выполняется суммирование l кадров. Тогда на вход стробирования ФИ 1-4-2-4, см. фиг. 10, приходит с временного контроллера 1-4-2-1 сигнал управления, показанный на фиг. 13а. Его формирование предусмотрено во временном контроллере и показано эпюрами на фиг. 12.

Поэтому подаваемые на тактовый вход ФИ 1-4-2-4 трехфазные импульсные последовательности (см. фиг. 13б…г) будут преобразованы в другие управляющие последовательности, как показано соответственно на фиг. 13д…ж.

В результате в фотоприемнике 1-4-1 зарядовые пакеты, накопленные на мишени, до выполнения считывания зарядов в «кольцевом» регистре суммируются в ее экранированных от света элементах.

Поэтому в сигнале «выход видео» фотоприемника отношение сигнал/шум увеличивается в l раз, но сам сигнал изображения будет следовать с периодом lT_к, т.е. с пропуском на величину временного интервала (l-1)T_к, как представлено на фиг. 13з.

Очевидно, что в этом случае видеоинформация будет поступать в оперативную память сервера 2 с тем же периодом lT_к, но выводиться из нее - с периодом T_к.

В остальном работа устройства панорамного наблюдения с таким устройством датчика ДТС 1-4 ничем не отличается от описанной выше.

А в итоге компьютерные пользователи в данное время суток могут получить видеоинформацию с повышенным отношением сигнал/шум.

Пусть фотоприемник для черно-белого датчика ЦТС 1-4 имеет в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области неодинаковое число элементов, а оно различается, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, равной числу элементов в его «кольцевом» регистре.

Тогда содержимое оперативной памяти сервера 2, куда записывается панорамное монохромное изображение, может быть представлено так, как это показано на фиг. 14, т.е. в его составе, как и ранее, шесть массивов памяти с записью в них соответственно 6-ти областей входного видеосигнала текущего «кольцевого» кадра. Но каждый из этих массивов памяти заполнен видеоинформацией неравномерно из-за различного числа пикселов, расположенных на «кольцевых» строках мишени.

Как показано на фиг. 14, светлые области каждого из массивов иллюстрируют активные (занятые) ячейки памяти, а темные области - пассивные (свободные) ячейки памяти.

Очевидно, что все занятые горизонтальные ячейки памяти соответствуют «кольцевой» строке, расположенной на самой внешней периферии мишени, а минимально занятые горизонтальные ячейки памяти - «кольцевой» строке, находящейся ближе всех остальных к воображаемому центру кругового кольца.

Далее, как было описано ранее, в сервере 2 при помощи элемента БПКП, реализующего возложенные на него функции программным путем, осуществляется операция считывания видеосигнала, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» сервера 2.

При прочих равных условиях дополнительный выигрыш в отношении сигнал/шум цветного и черно-белого панорамного изображения может быть получен, если в организации «кольцевых фотоприемников будет предусмотрена секция памяти, расположенная на кристалле между фотоприемной областью и «кольцевым» регистром. При этом «кольцевые» строки мишени для монохромного фотоприемника могут содержать как одинаковое, так и различное число пикселов. Последнее предложение показано на фиг. 8.

Физический рост отношения сигнал/шум путем введения секции памяти на кристалл объясняется тем, что в этом случае исключаются или существенно уменьшаются переотражения света и диффузия носителей из глубины полупроводника. Это происходит точно так же, как и в матрицах ПЗС, имеющих организацию «строчно-кадровый перенос [3, с. 135].

Очевидно, что при использовании такого двухсекционного «кольцевого фотоприемника в черно-белом канале телевизионной камеры целесообразно обеспечивать выигрыш в чувствительности для статичных слабоосвещенных объектов панорамной сцены путем суммирования накопленных зарядовых пакетов не на мишени, а в секции памяти.

Дополнительным результатом заявляемого решения компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения можно считать и возможность создания на ее основе сложных компьютерных систем за счет успешного вписывания как в локальную вычислительную сеть, так и в глобальную сеть Интернет.

Пример структурной схемы по организации такой системы представлен на фиг. 16. Стрелки на линиях связи этой схемы иллюстрируют передачу сигнала изображения.

Здесь компьютер 4 оператора дополнительно выполняет функции сервера. Благодаря использованию в данной системе маршрутизатора 5 информация, хранящаяся на сервере, становится доступной любому другому пользователю компьютера в локальной сети, например компьютеру 7.

Модем 6 позволяет предоставить видеоинформацию и по сети Интернет, т.е. она может поступить на компьютер удаленного пользователя, например на компьютер 8.

В настоящее время все элементы структурной схемы устройства панорамного наблюдения и структурной схемы устройства телевизионной камеры для его реализации освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать предлагаемую группу изобретений соответствующей требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2524576, МПК H04N 7/00. Способ панорамного телевизионного наблюдения и устройство для его осуществления. / В.М. Смелков // Б.И. - 2014. - №21.

2. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. Перевод с англ. - М.: «Мир», 1985.

3. Владо Дамьяновски. CTV. Библия видеонаблюдения, Цифровые и сетевые технологии. /Перевод с англ. М.: ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.

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

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

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

Группа изобретений 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. Техническим результатом является автоматический выбор характера изображения (цветного или черно-белого) в зависимости от времени суток. Результат достигается тем, в состав телевизионной камеры дополнительно введены оптический блок, последовательно соединенные селектор синхроимпульсов и формирователь импульсов (ФИ) записи и сброса, последовательно соединенные детектор видеосигналов, блок выборки-хранения и компаратор, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению, а выход - к управляющему входу коммутатора, первый информационный вход которого подключен к выходу цифрового телевизионного сигнала первого датчика ЦТС, второй информационный вход коммутатора - к выходу цифрового телевизионного сигнала второго датчика ЦТС, а выход коммутатора является выходом «видео» телевизионной камеры. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 16 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 обеспечивает развертку аналогового видеосигнала фотоприемника и формирование на выходе цифрового телевизионного сигнала, а в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, 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, отличающееся тем, что телевизионная камера формирует «кольцевой» растр изображения, передавая на выход цифровой композитный видеосигнал цветного или черно-белого изображения в зависимости от времени суток на объекте наблюдения.

2. Телевизионная камера, содержащая панорамный объектив, первый датчик цифрового телевизионного сигнала (первый датчик ЦТС), второй датчик ЦТС, синхронизированный по частоте и фазе с первым датчиком ЦТС по сигналу синхронизации приемника (ССП), причем каждый из датчиков ЦТС содержит фотоприемник, состоящий из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, выходного регистра и преобразователя «заряд - напряжение» (БПЗН), причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов чередуются с линейками экранированных от света элементов; генератор управляющих импульсов, состоящий из временного контроллера, первого преобразователя уровней (ПУ) и второго ПУ; а также последовательно соединенные сигнальный процессор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), причем управляющий вход фотоприемной области матрицы ПЗС подключен к выходу первого ПУ, управляющий вход горизонтального регистра матрицы ПЗС - к выходу второго ПУ, а выход БПЗН матрицы ПЗС - к информационному входу сигнального процессора, выход управления экспозицией которого подключен к управляющему входу временного контроллера, первый выход которого подключен к входу первого ПУ, второй выход - к входу второго ПУ, третий выход - к входу синхронизации сигнального процессора, а четвертый выход - к тактовому входу АЦП, отличающаяся тем, что в нее введены оптический блок, а также последовательно соединенные селектор синхроимпульсов и формирователь импульсов (ФИ) записи и сброса, последовательно соединенные детектор видеосигналов, блок выборки-хранения и компаратор, установочный вход которого подключен к пороговому напряжению, а выход - к управляющему входу коммутатора, первый информационный вход которого подключен к выходу цифрового телевизионного сигнала первого датчика ЦТС, второй информационный вход коммутатора - к выходу цифрового телевизионного сигнала второго датчика ЦТС, а выход коммутатора является выходом «видео» телевизионной камеры, при этом вход оптического блока оптически связан с оптическим кадром панорамного объектива, первый выход оптического блока - с мишенью фотоприемника первого датчика ЦТС, а второй выход оптического блока - с мишенью фотоприемника второго датчика ЦТС, при этом аналоговый выход телевизионного сигнала первого датчика ЦТС, который является датчиком цветного сигнала изображения, подключен соответственно к входу селектора синхроимпульсов и к информационному входу детектора видеосигналов, а второй датчик ЦТС является датчиком черно-белого сигнала изображения, при этом управляющий вход блока выборки-хранения подключен к первому выходу ФИ записи и сброса, второй выход которого подключен к управляющему входу детектора видеосигналов, при этом генератор управляющих импульсов каждого из датчиков ЦТС является блоком «кольцевой» развертки видеосигнала заявляемой телевизионной камеры, а фотоприемник каждого из датчиков ЦТС имеет форму кругового кольца, у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там выходному регистру, который является «кольцевым», причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области равно числу элементов в «кольцевом» регистре, а фотоприемная область первого датчика ЦТС накрыта цветным «кольцевым» фильтром, который разделяет световой поток, попадающий на светочувствительные элементы, соответственно на его голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты.

3. Телевизионная камера по п. 2, отличающаяся тем, что электроды переноса фотоприемной области и «кольцевого» регистра для фотоприемника обоих датчиков ЦТС выполнены с геометрической формой в виде части кругового кольца.

4. Телевизионная камера по п. 2, отличающаяся тем, что для фотоприемника второго датчика ЦТС число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области различно и увеличивается по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, равной числу элементов в «кольцевом» регистре.

5. Телевизионная камера по п. 2, отличающаяся тем, что оптический блок содержит светоделитель и корректирующий светофильтр, при этом светоделитель выполнен в виде призмы с двумя светоделительными гранями, расположенными под углом 30°, при этом 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.

6. Телевизионная камера по п. 2, отличающаяся тем, что панорамный объектив, светоделитель и корректирующий светофильтр выполнены в одном оптическом приборе.

7. Телевизионная камера по п. 2, отличающаяся тем, что в состав второго датчика ЦТС введен формирователь импульсов, обеспечивающий повышение чувствительности монохромного канала путем суммирования накопленных зарядовых пакетов в экранированных от света вертикальных регистрах мишени фотоприемника.

8. Устройство панорамного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что его телевизионная камера, выполненная по п. 7, обеспечивает ввод цифрового монохромного видеосигнала в оперативную память сервера с периодом lT_k, а вывод из нее этого сигнала изображения - с периодом T_k , где T_k - длительность кадра, l - число суммируемых кадров.

9. Телевизионная камера по п. 2, отличающаяся тем, что фотоприемники первого и второго датчиков ЦТС содержат на кристалле кругового кольца последовательно связанные зарядовой связью фотоприемную область, секцию памяти, «кольцевой» регистр и БПЗН, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке секции памяти равно числу элементов в «кольцевом» регистре.

10. Устройство панорамного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что компьютер оператора является сервером для компьютера местного пользователя в локальной сети и для компьютера удаленного пользователя в сети Интернет.