УСТРОЙСТВО ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ "ДЕНЬ-НОЧЬ" Российский патент 2016 года по МПК H04N7/00 

Изобретение относится к панорамному у наблюдению, которое может выполняться телевизионно-компьютерной системой в течение всего времени суток при помощи телевизионной камеры кругового обзора в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятков 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 включает в свой состав последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив и оптический блок, первый выход которого оптически связан с первой волоконно-оптической насадкой (первой ВОН), а второй выход оптического блока - со второй ВОН; 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), третий датчик ЦТС и четвертый датчик ЦТС, причем четвертый датчик ЦТС импульсами ССП синхронизирован с третьим датчиком ЦТС, при этом первый и второй датчики ЦТС являются датчиками цветного сигнала изображения и выполнены на основе матриц приборов с зарядовой связью (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», причем 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, мишень фотоприемника третьего ЦТС - с периферийными световодными жгутами второй ВОН, а ее центральные световодные жгуты - с мишенью фотоприемника четвертого датчика 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; 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; выход первого мультиплексора подключен к первому информационному входу суточного коммутатора видеосигналов, второй информационный вход которого - к выходу второго мультиплексора, первый управляющий вход суточного коммутатора - к выходу аналогового телевизионного сигнала первого датчика ЦТС, второй управляющий вход суточного коммутатора - к выходу аналогового телевизионного сигнала второго датчика ЦТС, а выход суточного коммутатора является выходом «видео» телевизионной камеры; в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управления и питанию с шиной сервера, содержащая первый блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (первый БПКП), вход которого подключен к выходу первого блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть» сервера, а также демультиплексор и второй БПКП, вход которого подключен к выходу второго блока оперативной памяти на кадр, а выход второго БПКП - к выходу «сеть» сервера, причем для обоих БПКП 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, как и операция демульплексирования входного для сервера видеосигнала, выполняются программным путем, при этом плата видео 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.

Устройство прототипа обеспечивает предоставление операторам компьютеров 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.

Для прототипа предполагается наличие следующих признаков:

- первый и второй датчики ЦТС состоят из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, горизонтального (выходного) регистра и преобразователя «заряд - напряжение» (БПЗН), причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов чередуются с линейками экранированных от света элементов, а сама фотоприемная область накрыта мозаичным цветным фильтром, разделяющим свет на голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты;

- для третьего и четвертого датчиков ЦТС прототипа необходимость в мозаичном цветном фильтре отпадает, но кристалл матрицы ПЗС содержит дополнительно секцию памяти, расположенную между фотоприемной секцией и выходным регистром и связанную с ними зарядовой связью;

- «прямоугольная» развертка и организация «прямоугольного» растра изображения для фотоприемников первого, второго, третьего и четвертого датчиков ЦТС осуществляется при помощи генератора управляющих импульсов, входящего в состав каждого из них.

Недостаток прототипа - сохранение противоречия между кольцевым оптическим изображением и прямоугольной формой мишени матричного фотоприемника на ПЗС, которое либо приводит к появлению пассивных элементов фотоприемников, а следовательно, и к избыточной величине их общего числа, либо к сокращению для оператора угла зрения по месту кругового обзора.

Задача изобретения - устранение этого противоречия путем оптимизации фотоприемников за счет использования для них кристалла мишени в форме кольца и с организацией в телевизионной камере «кольцевого» растра 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 включает в свой состав последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив и оптический блок, первый выход которого оптически связан с первой ВОН, а второй выход оптического блока - со второй ВОН; первый датчик ЦТС, второй датчик ЦТС, синхронизированный по частоте и фазе с первым датчиком ЦТС по сигналу ССП, третий датчик ЦТС и четвертый датчик ЦТС, причем четвертый датчик ЦТС импульсами ССП синхронизирован с третьим датчиком ЦТС, 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», причем первый и второй датчики ЦТС состоят из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, горизонтального (выходного) регистра и преобразователя «заряд - напряжение» (БПЗН), на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов чередуются с линейками экранированных от света элементов, а сама фотоприемная область накрыта мозаичным цветным фильтром; кристалл матрицы ПЗС третьего и четвертого датчиков ЦТС содержит дополнительно секцию памяти, расположенную между фотоприемной секцией и выходным регистром и связанную с ними зарядовой связью, а «прямоугольная» развертка и организация «прямоугольного» растра изображения для фотоприемников первого, второго, третьего и четвертого датчиков ЦТС осуществляется при помощи генератора управляющих импульсов, входящего в состав каждого из них, 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, мишень фотоприемника третьего ЦТС - с периферийными световодными жгутами второй ВОН, а ее центральные световодные жгуты - с мишенью фотоприемника четвертого датчика 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; 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; выход первого мультиплексора подключен к первому информационному входу суточного коммутатора видеосигналов, второй информационный вход которого - к выходу второго мультиплексора, первый управляющий вход суточного коммутатора - к выходу аналогового телевизионного сигнала первого датчика ЦТС, второй управляющий вход суточного коммутатора - к выходу аналогового телевизионного сигнала второго датчика ЦТС, а выход суточного коммутатора является выходом «видео» телевизионной камеры; в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управления и питанию с шиной сервера, содержащая первый БПКП, вход которого подключен к выходу первого блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть» сервера, а также демультиплексор и второй БПКП, вход которого подключен к выходу второго блока оперативной памяти на кадр, а выход второго БПКП - к выходу «сеть» сервера, причем для обоих БПКП число «прямоугольных» кадров w, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), а само это преобразование, как и операция демульплексирования входного для сервера видеосигнала, выполняются программным путем, при этом плата видео 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, реализуются следующие изменения, а именно: телевизионная камера формирует не «прямоугольный», а «кольцевой» растр изображения, при этом генератор управляющих импульсов каждого из ДТС прототипа является блоком «кольцевой» развертки видеосигнала предлагаемой телевизионной камеры, а фотоприемник каждого из ДТС имеет форму кругового кольца, у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов (пикселов) фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там выходному регистру, который является «кольцевым», фотоприемная область первого и второго ДТС накрыты цветным «кольцевым» фильтром, который разделяет световой поток, попадающий на светочувствительные элементы, соответственно на его голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты, а линейки экранированных от света элементов секции памяти третьего и четвертого датчиков ЦТС расположены на продолжении радиальных линий местоположения элементов фотоприемной области, при этом генератор управляющих импульсов каждого из ДТС прототипа является блоком «кольцевой» развертки видеосигнала, а входное «окно» первой и второй ВОН и оба их выходных «окна», которые образуются при соединении соответствующих световодных жгутов на мишенях фотоприемников, имеют форму круглого кольца.

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

Новая телевизионная камера отличается геометрической формой выполнения фотоприемника для каждого из четырех ДТС и геометрической формой исполнения входного/выходного «окна» для каждой из двух ВОН, которые обеспечивают 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.

Условие оптимизации новых фотоприемников состоит в том, что для них (по сравнению с матрицами ПЗС) исключаются бесполезные пикселы, которые не несут информации о наблюдаемом сюжете, но принудительно используются при формировании видеосигнала в телевизионной камере.

Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.

По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства; на фиг. 2 - структурная схема «кольцевого» фотоприемника с организацией «строчный перенос»; на фиг. 3 показан фрагмент устройства фотоприемника по фиг. 2, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 4 - структурная схема «кольцевого» фотоприемника с организацией «строчно-кадровый перенос»; на фиг. 5 - фрагмент устройства фотоприемника по фиг. 4, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 6, по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 7 - конструкция оптического блока и ход оптических лучей в нем; на фиг. 8 - структурная схема суточного коммутатора видеосигналов; на фиг. 9 - предлагаемое оператору компьютера панорамное изображение «кольцевого» кадра, содержащее видеоряд из 6-ти «прямоугольных» кадров; на фиг. 10 - временные диаграммы, поясняющие работу заявляемого устройства.

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, вход синхронизации первого мультиплексора 1-9 - к выходу синхросигнала первого датчика ЦТС 1-5, вход синхронизации второго мультиплексора 1-10 - к выходу синхросигнала третьего датчика ЦТС 1-7, 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.

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 [2].

Фотография кольцевого изображения, формируемого панорамным объективом, представлена на фиг. 6. 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.

Наличие пассивной области в центре оптического кадра панорамного объектива подтверждает целесообразность выбора формы фотоприемника в пользу кругового кольца.

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

Оптический блок 1-2 (см. фиг. 7) 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, как и в прототипе, по технологии гибких многожильных световодов (см., например, [3, с. 74]). При этом входное «окно» ВОН 1-3 обеспечивает выбор областей захвата оптических изображений видимого спектра, а входное «окно» ВОН 1-4 - выбор таких же областей во всем спектральном диапазоне (видимом и инфракрасном).

Как и в прототипе, ВОН 1-3 и ВОН 1-4 имеют световодные ответвления (жгуты), которые, благодаря их технологической гибкости, соединяются между собой на выходе (раздельно для периферийных и центральных участков обеих насадок), образуя два выходных «окна», необходимые для стыковки с мишенями фотоприемников. Но в отличие от прототипа, входное «окно» ВОН 1-3, входное «окно» ВОН 1-4 и оба их выходных «окна» имеют форму круглого кольца.

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.

Рассмотрим особенности новых фотоприемников заявляемого решения.

Оба фотоприемника в составе датчиков ЦТС 1-5 и ЦТС 1-6 обеспечивают формирование цветного изображения наблюдаемого сюжета.

На кристалле, выполненном по форме в виде кольца, см. фиг. 2…3, по технологии ПЗС, реализована «кольцевая» развертка зарядового изображения на фотоприемной области 1-5(6)-1 с последующим поэлементным считыванием зарядов в «кольцевом» регистре 1-5(6)-2 и формированием на выходе БПЗН 1-5(6)-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 1-5(6)-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 1-5(6)-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 1-5(6)-2.

Не трудно заметить, что управление зарядовыми пакетами в новых фотоприемниках аналогично «механизму», реализованному в прямоугольных матрицах ПЗС, которые имеют организацию «строчный перенос». Поэтому при замене «прямоугольного» сенсора на «кольцевой» фотоприемник не требуется внесение изменений в циклограммы управляющих сигналов.

Фотоприемник датчика ЦТС 1-5 и фотоприемник датчика ЦТС 1-6 становятся сенсорами видеосигнала цветного изображения за счет применения на входе мишени цветного «кольцевого» фильтра, причем пикселы ПЗС становятся чувствительными к дополнительным цветам - голубому (Cy), желтому (Ye), пурпурному (Mg) и зеленому (G). Конструкция этого фотоприемника представлена на фиг. 3.

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.

В заявляемом решении для «кольцевых» ПЗС-фотоприемников датчиков ЦТС 1-5 и ЦТС 1-6 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 1-5(6)-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. 3.

Первая строка содержит попарные отсчеты: (M_g+C_y), (G+Y_e), (M_g+C_y), (G+Y_e) и так далее.

Вторая строка: попарные отсчеты: (C_y+G), (Y_e+M_g), (C_y+G), (Y_e+M_g) 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 [4, 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 «долг», 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 (В-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:

B-Y=[(G+Y_e)-(M_g+C_y)]=[(G+G+R)-(R+B+G+B)]=-[2B-G].

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

R-Y=[(M_g+Y_e)-(G+C_y)]=[(R+B+G+R)-(G+G+B)]=2R-G.

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.

Перейдем к рассмотрению «кольцевых» фотоприемников черно-белого изображения, установленных в датчиках ЦТС 1-7 и ЦТС 1-8.

Они содержат на «кольцевом» кристалле, см. фиг. 4…5, фотоприемную область 1-7(8)-1, в которой чередуются радиально расположенные (от воображаемого геометрического центра кольца) линейки светочувствительных элементов и линейки элементов, экранированных от света; а также дополнительно линейки экранированных от света элементов секции памяти 1-7(8)-2, «кольцевой» регистр сдвига 1-7(8)-3 и БПЗН 1-7(8)-4, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области 1-2-1 и в каждой «кольцевой» строке секции памяти 1-2-2 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-7(8)-3.

Очевидно, что управление зарядовыми пакетами в этих новых фотоприемниках аналогично «механизму», реализованному в прямоугольных матрицах ПЗС, которые имеют организацию «строчно-кадровый перенос». Поэтому при замене «прямоугольного» сенсора на «кольцевой» фотоприемник здесь тоже не потребуется внесения изменений в циклограммы управляющих сигналов.

Как и в прототипе, секция памяти, вводимая в состав «кольцевых» монохромных фотоприемников, обеспечивает повышение чувствительности наблюдаемого черно-белого сюжетного изображения путем сложения в ней зарядовых пакетов, накопленных в фотоприемной области сенсора. Длительность этого суммирования определяется интервалом nТ_к, где n - число суммируемых кадров, Т_к - длительность кадра.

Очевидно и другое. Повышение чувствительности монохромного изображения, но с принципиально меньшим результатом (в отношении параметра сигнал/шум) можно достичь и при использовании в качестве фотоприемников для датчиков ЦТС 1-7 и 1-8 «кольцевых» сенсоров на ПЗС с организацией «строчный перенос», если суммирование зарядовых пакетов производить в экранированных от света пикселах мишени.

Отметим, 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.

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 диаметр «кольцевой» мишени фотоприемника для датчика 1-6 будет меньше диаметра мишени для датчика 1-5, а для датчика 1-8 - соответственно меньше, чем для датчика 1-7.

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, как и в прототипе, может быть выполнен по структурной схеме (см. фиг. 8), 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.

Каждый из мультиплексоров 1-9 и 1-10 предназначен для объединения двух видеосигналов на единственную магистраль. Электрическая схема каждого из мультиплексоров может быть выполнена на операционных усилителях с внешним переменным смещением типа СА3078Т фирмы RCA (США) согласно техническому решению, которое приведено в [5, 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.

Формирователь импульсов (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 [6, с. 138].

На фиг. 10б показаны кадровые синхроимпульсы с выхода селектора 1-11-1. Импульс управления блоком 1-11-2 - импульс записи (см. фиг. 10в) формируется по спаду кадрового синхроимпульса. Импульс управления блоком 1-11-4 - импульс сброса (см. 10г) 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, [7, 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 датчиков 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. 7).

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

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

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. 10а) строчные и кадровые синхроимпульсы (см. фиг. 10б), а ФИ 1-11-2 вырабатывает в пределах каждого кадрового гасящего импульса следующие с периодом Т_к импульсы записи и сброса (см. соответственно фиг. 10в и фиг. 10г).

Детектор 1-11-3 с периодом Т_к измеряет наибольшее значение (пиковый уровень) видеосигнала от двух датчиков 1-5 и 1-6 (см. фиг. 10д), блок 1-11-4 выборки-хранения запоминает его на время Т_к (см. фиг. 10е), а компаратор 1-11-5 оценивает выходное напряжение, сравнивая его с пороговым напряжением U_n (см. фиг. 10ж).

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. 10ж), 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, а «кольцевой» кадр записи для второго изображения тоже включает 6 условных областей.

Цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения конвертируется (преобразуется) в m «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности (см. фиг. 9) операторам локальной вычислительной сети. В нашем примере две эти последовательности содержат 12 различных изображений.

Будем считать, что в качестве персональных компьютеров 3, образующих эту сеть, использованы ноутбуки, содержащие в своем составе материнскую плату с установленными на ней процессором и оперативной памятью, а также жесткий диск, дисплей, клавиатуру, 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. 10ж). 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 фотоприемников 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 вводимые в заявляемое устройство вместо матриц ПЗС новые «кольцевые» ПЗС-фотоприемники содержат меньшее число пикселов на мишени при сохранении разрешающей способности и угла места в поле зрения панорамного изображения. Следовательно, они могут быть изготовлены с большим процентом выхода годных изделий и за меньшую себестоимость их производства.

Дополнительно сокращается и полоса пропускания видеосигнала по линии связи «телевизионная камера - сервер».

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 №2530879. МПК H04N 7/00. Устройство панорамного телевизионного наблюдения «день - ночь». / В.М. Смелков // Б.И. - 2014. - №29.

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

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

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

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

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

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

Изобретение относится к панорамному наблюдению, которое может выполняться телевизионно-компьютерной системой в течение всего времени суток при помощи телевизионной камеры кругового обзора в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятков градусов по углу места. Технический результат заключается в применении оптимизированных фотоприемников, которые содержат меньшее число пикселов на мишени при сохранении разрешающей способности и угла места в поле зрения панорамного изображения. Результат достигается за счет использования для ПЗС-фотоприемников кристалла мишени в форме кольца и организацией в телевизионной камере «кольцевого» растра изображения. 5 з.п. ф-лы, 10 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 включает в свой состав последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив и оптический блок, первый выход которого оптически связан с первой волоконно-оптической насадкой (первой ВОН), а второй выход оптического блока - со второй ВОН; 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), третий датчик ЦТС и четвертый датчик ЦТС, причем четвертый датчик ЦТС импульсами ССП синхронизирован с третьим датчиком ЦТС, 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 приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС) с организацией «строчно-кадровый перенос», причем первый и второй датчики ЦТС состоят из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, горизонтального (выходного) регистра и преобразователя «заряд - напряжение» (БПЗН), на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов чередуются с линейками экранированных от света элементов, а сама фотоприемная область накрыта мозаичным цветным фильтром; кристалл матрицы ПЗС третьего и четвертого датчиков ЦТС содержит дополнительно секцию памяти, расположенную между фотоприемной секцией и выходным регистром и связанную с ними зарядовой связью, а «прямоугольная» развертка и организация «прямоугольного» растра изображения для фотоприемников первого, второго, третьего и четвертого датчиков ЦТС осуществляется при помощи генератора управляющих импульсов, входящего в состав каждого из них, 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, мишень фотоприемника третьего ЦТС - с периферийными световодными жгутами второй ВОН, а ее центральные световодные жгуты - с мишенью фотоприемника четвертого датчика 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; 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; выход первого мультиплексора подключен к первому информационному входу суточного коммутатора видеосигналов, второй информационный вход которого - к выходу второго мультиплексора, первый управляющий вход суточного коммутатора - к выходу аналогового телевизионного сигнала первого датчика ЦТС, второй управляющий вход суточного коммутатора - к выходу аналогового телевизионного сигнала второго датчика ЦТС, а выход суточного коммутатора является выходом «видео» телевизионной камеры; в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управления и питанию с шиной сервера, содержащая первый блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (первый БПКП), вход которого подключен к выходу первого блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть» сервера, а также демультиплексор и второй БПКП, вход которого подключен к выходу второго блока оперативной памяти на кадр, а выход второго БПКП - к выходу «сеть» сервера, причем для обоих БПКП 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, как и операция демульплексирования входного для сервера видеосигнала, выполняются программным путем, причем плата видео 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, отличающееся тем, что телевизионная камера формирует «кольцевой» растр изображения, при этом генератор управляющих импульсов каждого из ДТС прототипа является блоком «кольцевой» развертки видеосигнала телевизионной камеры, а фотоприемник каждого из ДТС имеет форму кругового кольца, у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов (пикселов) фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там выходному регистру, который является «кольцевым», фотоприемная область первого и второго ДТС накрыты цветным «кольцевым» фильтром, который разделяет световой поток, попадающий на светочувствительные элементы, соответственно на его голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты, а линейки экранированных от света элементов секции памяти третьего и четвертого датчиков ЦТС расположены на продолжении радиальных линий местоположения элементов фотоприемной области, при этом генератор управляющих импульсов каждого из ДТС прототипа является блоком «кольцевой» развертки видеосигнала, а входное «окно» первой и второй ВОН и оба их выходных «окна», которые образуются при соединении соответствующих световодных жгутов на мишенях фотоприемников, имеют форму круглого кольца.

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 ВОН выполнены в одном оптическом приборе.

4. Устройство панорамного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что «кольцевой» фотоприемник третьего и четвертого датчиков ЦТС телевизионной камеры имеет организацию «строчный перенос», а суммирование зарядовых пакетов, накопленных в течение кадра в светочувствительных элементах мишени фотоприемника, производится в экранированных от света пикселах мишени.

5. Устройство панорамного телевизионного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что диаметр мишени фотоприемника второго датчика ЦТС меньше диаметра мишени фотоприемника первого датчика ЦТС, а диаметр мишени фотоприемника четвертого датчика ЦТС меньше диаметра мишени третьего датчика ЦТС при одинаковых геометрических размерах их 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.