УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H04N7/00 

Предлагаемое изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной системой при помощи сенсора, состоящего из двух «кольцевых» фотоприемников, в различных шаровых слоях окружающей сферической области. При этом для каждого из этих шаровых слоев телевизионный контроль ситуации в реальном времени осуществляется в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютера, при этом телевизионная камера состоит из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и датчика цифрового телевизионного сигнала, который содержит в своем составе последовательно расположенные и связанные твердотельный фотоприемник и блок фотоприемника, обеспечивающий развертку аналогового видеосигнала фотоприемника и формирование на выходе телевизионной камеры 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, при этом фотоприемник телевизионной камеры выполнен в виде кругового кольца по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область, секцию памяти и выходной регистр сдвига, заканчивающийся блоком преобразования «заряд-напряжение» (БПЗН), при этом линейки светочувствительных и чередующиеся с ними линейки экранированных от света элементов фотоприемной области, а также линейки экранированных от света элементов секции памяти расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там выходному регистру сдвига, который является «кольцевым», причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области и в каждой «кольцевой» строке секции памяти равно числу элементов в его «кольцевом» регистре сдвига, а блок фотоприемника телевизионной камеры, формирующий «кольцевой» растр изображения, является блоком «кольцевой» развертки фотоприемника и формирования цифрового телевизионного сигнала.

Для прототипа предполагается, что кристалл «кольцевого» фотоприемника выполнен из кремния, БПЗН «кольцевого» фотоприемника организован по типу «плавающая диффузионная область» [2], а поэтому имеет управляющий вход, обеспечивающий поэлементный сброс напряжения формируемого видеосигнала. Блок фотоприемника содержит блок «кольцевой» развертки фотоприемника, а также соединенные последовательно сигнальный процессор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, а выход АЦП является выходом телевизионной камеры.

Недостаток прототипа - ограниченная область сферического пространства, наблюдаемая телевизионной камерой компьютерной системы, а также переменная величина разрешающей способности изображения, формируемого «кольцевым» фотоприемником в пределах кадра, которая изменяется в сторону уменьшения по направлению к внешней периферии сенсора из-за увеличивающейся величины зазора между его светочувствительными элементами (пикселами), имеющими одинаковый показатель по геометрической площади,

Задачей изобретения является увеличение площади пространственной сферической области, контролируемой телевизионной камерой, при одновременном выравнивании разрешающей способности ее изображения.

Поставленная задача в заявляемом устройстве компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения решается тем, что в устройство компьютерной системы прототипа [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютера, при этом телевизионная камера состоит из последовательно расположенных и оптически связанных первого панорамного объектива и первого фотоприемника, управляющие входы которого подключены к соответствующим выходам блока «кольцевой» развертки фотоприемника, а выход первого фотоприемника подключен к информационному входу первого сигнального процессора, вход служебных импульсов которого подключен к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки фотоприемника, а выход управляющего сигнала - к первому управляющему входу блока «кольцевой» развертки фотоприемника, выход синхроимпульсов которого подключен к АЦП, выход которого является выходом телевизионной камеры; при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению 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, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), при этом первый фотоприемник телевизионной камеры, выполненный в виде кругового кольца по технологии ПЗС, реализуя со стороны электродов первую «кольцевую» мишень сенсора, содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область, секцию памяти и выходной регистр сдвига, заканчивающийся БПЗН, при этом линейки светочувствительных и чередующиеся с ними линейки экранированных от света элементов (пикселов) фотоприемной области, а также линейки экранированных от света пикселов секции памяти расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там выходному регистру сдвига, который является «кольцевым», причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области и в каждой «кольцевой» строке секции памяти первого фотоприемника равно числу элементов в его «кольцевом» регистре сдвига, при этом в телевизионную камеру прототипа введены первый оптический затвор, расположенный между первым панорамным объективом и первой «кольцевой» мишенью сенсора, оптически связанные между собой второй панорамный объектив, второй оптический затвор и вторая «кольцевая» мишень сенсора, реализованная со стороны подложки первого фотоприемника при выполнении на ней аналогичного экранирования от света для отдельных пикселов фотоприемной области и всех пикселов секции памяти, третий панорамный объектив, второй фотоприемник, имеющий технологическую организацию, как и у первого фотоприемника, и объединенные с ним управляющие входы, а также четвертый панорамный объектив и четвертый оптический затвор, причем третий оптический затвор расположен между третьим панорамным объективом и первой «кольцевой» мишенью второго фотоприемника, а четвертый оптический затвор - между четвертым панорамным объективом и второй «кольцевой» мишенью второго фотоприемника, выход которого подключен к информационному входу второго сигнального процессора, вход служебных импульсов которого объединен с соответствующим входом первого сигнального процессора, а выход управляющего сигнала второго сигнального процессора подключен ко второму управляющему входу блока «кольцевой» развертки фотоприемника; блок управления затворами, управляющий вход которого подключен к выходу кадровых синхроимпульсов блока «кольцевой» развертки фотоприемника, первый выход блока управления затворами подключен к управляющему входу первого оптического затвора, а второй выход блока управления затворами - к управляющему входу второго оптического затвора; а также мультиплексор, первый информационный вход которого подключен к выходу видеосигнала первого сигнального процессора, второй информационный вход мультиплексора - к выходу видеосигнала второго сигнального процессора, вход синхронизации мультиплексора - к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки фотоприемника, а выход мультиплексора - информационному входу АЦП, причем в кристаллах обоих фотоприемников имеется разрез (сквозной шлиц), выполненный в радиальном направлении от воображаемого центра кольца к его внешней периферии, в расположение между БПЗН и первым элементом «кольцевого» регистра сдвига, при этом первый и второй фотоприемники при консольном соединении в шлиц под углом 90° образуют сенсорный блок телевизионной камеры, причем экспонирование первой и второй «кольцевых» мишеней как для первого, так и второго фотоприемника осуществляется поочередно в течение интервала активной части кадра, при этом площадь светочувствительных элементов на «кольцевых» мишенях от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь пиксела секции памяти; дополнительно в телевизионную камеру прототипа введен блок формирования апертуры (БФА), информационный вход которого подключен к выходу импульсов сброса блока «кольцевой» развертки, синхронизирующий вход БФА - к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки, а выход БФА - к третьему управляющему входу блока «кольцевой» развертки, при этом период управляющих импульсов T_r, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением:

где T_p - период считывания элемента в «кольцевом» фотоприемнике;

n_m - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике, равна отношению:

где Δ₁ - площадь светочувствительного элемента для первой строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике;

Δ_m - площадь светочувствительного элемента для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике;

а в плату видео прототипа, расположенную на материнской плате сервера, дополнительно введены четырехканальный демультиплексор, второй БПКП, вход которого подключен к выходу второго блока оперативной памяти на кадр, третий БПКП, вход которого подключен к выходу третьего блока оперативной памяти на кадр, четвертый БПКП, вход которого подключен к выходу четвертого блока оперативной памяти на кадр, а выходы второго, третьего и четвертого БПКП - к выходу «сеть» сервера, причем для второго, третьего и четвертого БПКП число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1).

В заявляемом решении оба фотоприемника сенсорного блока реализуют «кольцевой» растр телевизионного изображения по методу «кольцевой строчно-кадровый перенос».

Важно подчеркнуть, что для этих фотоприемников могут быть применены те же управляющие сигналы, которые используются для организации «прямоугольной» развертки в матрицах ПЗС строчно-кадрового переноса.

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

Телевизионная камера заявляемого устройства компьютерной системы панорамного наблюдения формирует на выходе мультиплексный цифровой телевизионный сигнал «кольцевого» изображения.

Первая составляющая этого мультиплексного сигнала включает в себя два телевизионных кадра, полученных в сенсорном блоке в результате поочередного экспонирования первой мишени первого фотоприемника (со стороны электродов) и второй его мишени (со стороны подложки кристалла). Аналогично, вторая составляющая мультиплексного сигнала - два телевизионных кадра, полученных в результате поочередного экспонирования в сенсорном блоке первой и второй мишеней второго фотоприемника.

Последующее в сервере четырехканальное демультиплексирование входного телевизионного сигнала позволяет в итоге принципиально увеличить площадь пространственной сферической области, контролируемой телевизионной камерой, в реальном времени дополнительно к одному шаровому слою (как у прототипа), еще и в трех других шаровых слоях.

Выравнивание разрешающей способности изображения в телевизионной камере осуществляется путем реализации в обоих «кольцевых» фотоприемниках различных по площади светочувствительных элементов и управления зарядовым считыванием в видеосигнале сенсора с одинаковой величиной площади апертуры.

Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

Реализация сенсорного блока путем выполнения консольного соединения первого и второго его фотоприемников в шлиц под углом 90° приводит к необходимости нетривиального конструкторского решения по организации интерфейса для этого блока. Очевидно, что для этого потребуется максимально «разгрузить» внешнюю периферию «кольцевых» фотоприемников, а переведя большую часть управляющих выводов на внутреннюю периферию прибора, эффективно использовать имеющуюся свободную круговую площадь.

Представляет интерес оценка чувствительности сенсорного блока. Световая или энергетическая чувствительность фотоприемника определяется минимально допустимой, т.е. пороговой освещенностью на объекте, при которой обеспечивается заданное качество изображения.

Воспользуемся известным выражением для пороговой освещенности сцены в реальной ситуации обнаружения и опознавания фотоприемником малоконтрастных объектов [3, с. 94], которое в нашем случае выглядит так:

где N=2⋅10¹² - потенциально доступное ПЗС количество фотонов на площади в 1 см² за время в 1 с при равномерном спектре и освещенности в видимом диапазоне в 1 лк;

k_о - коэффициент отражения объекта;

k_ф - коэффициент отражения фона;

Δ² - площадь пиксела;

T_н - время накопления;

η - квантовый выход;

Ψ_пор - пороговое отношение сигнал/шум;

D - диаметр входного зрачка объектива;

ƒ - фокусное расстояние объектива;

τ₁ - коэффициент пропускания объектива;

τ₂ - коэффициент пропускания электронного затвора, который необходимо учитывать применительно к заявляемому устройству.

Для первой мишени (со стороны электродов) обоих фотоприемников сенсорного блока, как и для прототипа, имеем одинаковые показатели параметров: N, k_о, k_ф, T_н, Ψ_пор, D, ƒ, τ₁, Δ². При этом следует признать, что будут и незначительные потери в чувствительности за счет коэффициента пропускания электронного затвора τ₂, который априори меньше единицы.

Если при использовании заявляемой системы панорамного телевизионного наблюдения чувствительность телевизионной камеры оказывается предпочтительнее ее динамического диапазона, то указанные потери могут быть компенсированы за счет увеличения площади светочувствительного пиксела (Δ²) каждого фотоприемника путем исключения из состава мишени экранированных элементов. Тогда всю площадь первой «кольцевой» мишени фотоприемника будут занимать линейки светочувствительных элементов, которые непосредственно и последовательно связаны зарядовой связью с линейками элементов секции памяти. Но при этом в блоке «кольцевой» развертки фотоприемника телевизионной камеры должна быть предусмотрена соответствующая «перестройка» циклограммы управляющих импульсов для сенсорного блока.

Возвращаясь к исходному фотоприемнику, отметим, что для его второй «кольцевой» мишени (со стороны подложки) всегда будет иметь место существенный выигрыш в чувствительности из-за роста параметра квантового выхода (η) по причине удаления на пути фотонов металлических электродов.

С другой стороны, при использовании заявляемого устройства компьютерной системы панорамного наблюдения в охранных целях разумно кристалл каждого фотоприемника сенсорного блока телевизионной камеры выполнить не основе кремния, а на основе полупроводника из арсенида галлия. Тогда физически реально достигнуть без охлаждения красной границы спектральной характеристики 1,7 мкм и даже 2,2 мкм. [3, с. 113], а в результате получить заведомый рост в чувствительности по обоим каналам.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения; на фиг. 2 приведена схема организации первого и второго фотоприемников; на фиг. 3а - фрагмент первой мишени фотоприемников, иллюстрирующий режим экспонирования со стороны электродов кристалла; на фиг. 3б - фрагмент второй мишени фотоприемников в режиме экспонирования со стороны подложки кристалла; на фиг. 4, по данным [2, с. 19], представлена структурная схема БПЗН с организацией «плавающая диффузионная область»; на фиг. 5 изображена эпюра выходного сигнала БФА, который выполняет управление апертурой «кольцевого» сенсора; на фиг. 6, по данным [4], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 7-8 представлены соответственно конструкция электрохромной ячейки и ее светорегулирующая характеристика при использовании этой ячейки в качестве оптических затворов; на фиг. 9а и 9б изображены эпюры напряжений, обеспечивающих управление оптическими затворами, которые выполнены по технологии электрохромной ячейки; на фиг 10а - фрагмент организации фотоприемной области «кольцевого» фотоприемника, иллюстрирующий подробности ее конструкции, а на фиг. 10б - то же самое при исключении из ее состава экранированных элементов с одновременным увеличением площади светочувствительных элементов (пикселов).

Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, см. фиг. 1 и фиг. 2, содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и сервер 2, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютера в позиции 3, при этом в состав телевизионной камеры 1 входит первый панорамный объектив 1-1, сенсорный блок 1-2, содержащий первый и второй фотоприемники, блок 1-3 «кольцевой» развертки фотоприемника, первый сигнальный процессор 1-4, АЦП 1-5, выход которого является выходом телевизионной камеры, а также второй панорамный объектив 1-6, третий панорамный объектив 1-7, четвертый панорамный объектив 1-8, второй сигнальный процессор 1-9, первый оптический затвор 1-10, второй оптический затвор 1-11, третий оптический затвор 1-12, четвертый оптический затвор 1-13, блок управления затворами 1-14, мультиплексор 1-15 и БФА 1-16, причем управляющие входы первого и второго фотоприемника сенсорного блока 1-2 подключены к выходам импульсных напряжений блока 1-3, выход первого фотоприемника - к первому информационному входу сигнального процессора 1-4, а выход второго фотоприемника - к первому информационному входу сигнального процессора 1-9, вход служебных импульсов которого объединен с входом служебных импульсов сигнального процессора 1-4 и подключен к соответствующему выходу блока 1-3, первый управляющий вход которого подключен к выходу управления первого сигнального процессора 1-4, второй управляющий вход блока 1-3 - к выходу управления второго сигнального процессора 1-9, а третий управляющий вход блока 1-3 - к выходу БФА 1-16, информационный вход которого подключен к выходу импульсов сброса блока 1-3, а синхронизирующий вход БФА 1-16 - к соответствующему выходу блока 1-3, выход кадровых синхроимпульсов которого подключен к управляющему входу блока 1-14 управления затворами, первый выход которого подключен к управляющему входу оптического затвора 1-10 и соответственно к управляющему входу оптического затвора 1-12, а второй выход блока 1-14 - к управляющему входу оптического затвора 1-11 и соответственно к управляющему входу оптического затвора 1-13, причем первый и второй фотоприемники сенсорного блока 1-2 выполнены по технологии ПЗС в виде кругового кольца, а каждый из них содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область 1-2-1, являющуюся со стороны электродов первой «кольцевой» мишенью, а со стороны подложки кристалла - второй «кольцевой» мишенью, а также секцию памяти 1-2-2 и выходной регистр сдвига 1-2-3, заканчивающийся БПЗН 1-2-4, при этом на кристалле как первого, так и второго фотоприемника выполнен радиальный разрез (сквозной шлиц), необходимый для конструктивного объединения по методу консольного соединения в шлиц под углом 90° в составе сенсорного блока 1-2 (на фиг. 2 этому разрезу присвоена позиция 1-2-5); первый оптический затвор 1-10 расположен между первым панорамным объективом 1-1 и первой «кольцевой» мишенью первого фотоприемника, второй оптический затвор 1-11 - между вторым панорамным объективом 1-6 и второй «кольцевой» мишенью первого фотоприемника, третий оптический затвор 1-12 - между третьим панорамным объективом 1-7 и первой «кольцевой» мишенью второго фотоприемника, а четвертый оптический затвор 1-13 - между четвертым панорамным объективом 1-8 и второй «кольцевой» мишенью второго фотоприемника; выход первого сигнального процессора 1-4 подключен к первому информационному входу мультиплексора 1-15, выход второго сигнального процессора 1-9 - ко второму информационному входу мультиплексора 1-15, вход синхронизации которого - к соответствующему выходу блока 1-3, а выход мультиплексора 1-15 - к информационному входу АЦП 1-5; при этом на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, выполняющая демультиплексирование входного цифрового телевизионного сигнала на четыре канала с последующей записью каждого из «кольцевых» видеосигналов в соответствующую (одну из четырех) оперативную память сервера и преобразование первого, второго, третьего и четвертого «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1).

Фрагмент устройства типовой «кольцевой» мишени сенсорного блока 1-2 показан на фиг. 10а. Он совпадает с аналогичным устройством для прототипа [1]. Фрагмент устройства предлагаемой «кольцевой» мишени для прибора с повышенной чувствительностью (организация «кольцевой кадровый перенос») представлен на фиг. 10б.

Первый панорамный объектив 1-1, второй панорамный объектив 1-6, третий панорамный объектив 1-7 и четвертый панорамный объектив 1-8 телевизионной камеры предназначены для формирования оптических изображений кругового обзора для четырех различных шаровых слоев контролируемого пространства, например для телевизионного оператора, это может быть соответствующее пространство спереди и сзади, справа и слева от него.

В качестве технического решения для панорамных объективов 1-1, 1-6, 1-7 и 1-8, совпадающих 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. 6. 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 фотоприемника в пользу кругового кольца.

Для «кольцевых» фотоприемников заявляемого устройства, как и для фотоприемника прототипа, электроды переноса на «кольцевых мишенях, в секциях памяти и в «кольцевых» регистрах сдвига могут быть выполнены с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца. Несомненно, что это предоставит и определенные преимущества при изготовлении «кольцевого» фотоприемника по технологии ПЗС.

Первый оптический затвор 1-10 и второй оптический затвор 1-11 предназначены для поочередного импульсного экспонирования первой и второй «кольцевых» мишеней первого фотоприемника, а третий оптический затвор 1-12 и четвертый оптический затвор 1-13 - соответственно первой и второй «кольцевых» мишеней второго фотоприемника сенсорного блока 1-2.

Оптические затворы 1-10, 1-11, 1-12 и 1-13 могут быть реализованы в виде светорегулирующих ячеек, которые обеспечивают управляемое скачкообразное изменение облученности мишеней второго фотоприемника и могут быть выполнены по технологии электрохромной ячейки [5].

Такая ячейка (см. фиг. 7) представляет собой два плоскопараллельных стекла толщиной 2,5 мм, соединенные между собой в кювету так, что между внутренними поверхностями стекол образован зазор порядка 0,1-0,2 мм, заполненный электрохромным материалом ЭХМ-11. Внутренние поверхности стекол покрыты токопроводящим покрытием и образуют электроды, выводы которых расположены снаружи ячейки.

Световая характеристика ячейки (см. фиг. 8) определяется свойствами электрохромной жидкости. Изменение коэффициента пропускания от τ_max (70%) до τ_min (1÷1,5%) составляет для большинства разработанных в советское время ячеек величину τ_max/τ_min=70÷150 при подаче на выводы постоянного напряжения U, величина которого составляет около 1,2 В.

Важно отметить, что физическое быстродействие изменения коэффициента пропускания такой ячейки позволяет обеспечить управление параметром с частотой 50 Гц.

Для заявляемого устройства панорамные объективы 1-1, 1-6, 1-7 и 1-8 должны иметь одинаковые технические параметры. Эта особенность распространяется и на оптические затворы 1-10, 1-11, 1-12 и 1-13. Поэтому целесообразно первый панорамный объектив 1-1 и первый оптический затвор 1-10, второй панорамный 1-6 и второй оптический затвор 1-11, третий панорамный объектив 1-7 и третий оптический затвор 1-12, а также четвертый панорамный объектив 1-8 и четвертый оптический затвор 1-13 выполнить в составе одного оптического прибора соответственно.

Блок 1-14 управления затворами задает необходимую импульсную коммутацию ячеек с периодом кадров T_к. Эпюры выходных сигналов представлены на фиг. 9а и 9б соответственно. Целесообразно блок 1-14 управления затворами интегрировать в состав блока 1-3.

Мультиплексор 1-15 предназначен для объединения двух входных сигналов на единственную магистраль с помощью разделения их по времени. Электрическая схема мультиплексора 1-15 может быть выполнена согласно техническому решению, которое опубликовано в работе [6, с. 295-296].

Первый 1-4 и второй 1-9 сигнальные процессоры ничем не отличаются сигнального процессора прототипа [1]. Очевидно, что блоки 1-4 и 1-9 целесообразно выполнить в виде двухканального процессора.

На фиг. 4 показана возможная структурная схема БПЗН «кольцевого» фотоприемника с организацией «плавающая диффузионная область», которая полностью совпадает со схемой, применяемой в настоящее время в матрицах ПЗС для реализации прямоугольной развертки видеосигнала. На этом чертеже приняты следующие обозначения: U_ф1, U_ф2, U_ф3 - напряжения на шинах для трехфазного управления «кольцевым» регистром сдвига 1-2-3; U_выхз - напряжение на выходном затворе; Д_вых, Д_сбр - выходной и сбрасывающие диоды соответственно.

Перед считыванием информационного заряда очередного элемента (пиксела) в процессе его преобразования в напряжение видеосигнала информационный заряд предыдущего элемента должен быть сброшен в стирающий диод Д_сбр.

Эта процедура осуществляется при помощи управляющих импульсов T_r, называемых часто в литературе импульсами сброса, которые подаются на соответствующую шину управления БПЗН 1-2-4.

Блок формирования апертуры (БФА) 1-16 предназначен для управления считывающей апертурой в сенсорном блоке 1-2 при поэлементном съеме напряжения видеосигнала в БПЗН 1-2-4 обоих «кольцевых» фотоприемников. В результате для всех строк этих фотоприемников обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры при различной от строки к строке площади электродов светочувствительных элементов сенсоров.

Эпюра выходного сигнала T_r, вырабатываемая на выходе БФА 1-16, представлена на фиг. 5. Предполагается, что фотоприемник 1-2 содержит n «кольцевых» строк. На этой диаграмме первая строка обозначена как Т_c1, а последняя строка - как T_cn.

Управляющие импульсы имеют положительную полярность, малую (короткую) длительность и различный период следования в пределах каждой из «кольцевых» строк.

Период управляющих импульсов для первой «кольцевой» строки обозначен Т_r1, а период управляющих импульсов для последней «кольцевой» строки - Т_{r n.}. Период T_r1 является самым малым и равен периоду считывания элемента T_p, а период считывания T_{r n.} - самым большим, который равен nT_r. Коэффициент n в последнем выражении определяется соотношением:

где Δ₁ - площадь светочувствительного элемента для первой строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике;

Δ_n - площадь светочувствительного элемента для последней строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике.

В физическом плане управление площадью апертуры осуществляется за счет суммирования зарядовых пакетов в соседних элементах каждой текущей «кольцевой» строки сенсора до выполнения процедуры преобразования «заряд-напряжение».

Поэтому это зарядовое сложение не может быть дополнительным источником шумов для видеосигнала на выходе телевизионной камеры.

БФА 1-16 на практике может быть реализован с использованием классического набора технических средств (логических элементов) цифровой электроники. Очевидно, что БФА 1-16 может быть выполнен в составе блока 1-3 «кольцевой» развертки телевизионной камеры.

Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения (см. фиг. 1) работает следующим образом.

Предположим, что телевизионная камера 1 должна располагаться на некоторой высоте относительно Земли. Пусть для этого конструкторское решение сенсорного блока 1-2 в составе телевизионной камеры 1 реализовано так, что ось визирования первого панорамного объектива 1-1, а следовательно, и оптическая ось первой «кольцевой» мишени первого фотоприемника направлена по горизонтали вперед.

Тогда, по отношению к этому направлению, ось визирования второго панорамного объектива 1-6 будет ориентирована по горизонтали назад, ось визирования третьего панорамного объектива 1-7 - по горизонтали влево, а ось визирования четвертого панорамного объектива 1-8 - по горизонтали вправо. Это означает, что оптическая ось второй «кольцевой» мишени первого фотоприемника будет направлена по горизонтали назад, оптическая ось первой «кольцевой» мишени второго фотоприемника - по горизонтали влево, а оптическая ось второй «кольцевой» мишени второго фотоприемника - по горизонтали вправо.

Экспонирование каждой из двух «кольцевых» мишеней обоих фотоприемников сенсорного блока 1-2 осуществляется в импульсном режиме при помощи оптических затворов 1-10, 1-11, 1-12 и 1-13. При этом оптические затворы 1-10 и 1-12 обеспечивают поочередное кадровое накопление зарядовых пакетов на первых «кольцевых» мишенях для первого и второго фотоприемников, а оптические затворы 1-11 и 1-13 - на вторых «кольцевых» мишенях для этих фотоприемников соответственно.

Т.е., в интервале кадра, когда пропорционально освещенности панорамного сюжета идет процесс сбора зарядов на первой мишени каждого из двух фотоприемников, на второй их мишени он отсутствует, и наоборот (см. соответственно фиг. 3а и 3б).

В этом режиме кадровой поочередности первый и второй фотоприемники сенсорного блока 1-2 реализуют накопление зарядового изображения на мишени 1-2-1, последующий кадровый перенос накопленных зарядовых пакетов в секцию памяти 1-2-2, последующий построчный перенос каждой зарядовой строки из секции памяти 1-2-2 в «кольцевой» регистр сдвига 1-2-3 и заключительное поэлементное считывание зарядов каждой строки в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-3 с формированием на выходе БПЗН 1-2-4, где для сигнала изображения выполняется поэлементное конвертирование уровня заряда в уровень напряжения.

Блок формирования апертуры (БФА) 1-16 управляет работой обоих «кольцевых» фотоприемников по входу «Импульсы сброса» для БПЗН 1-2-4 (см. фиг. 4). В результате этого управления для всех строк каждого из фотоприемников обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры, что гарантирует одинаковую чувствительность сенсора по пространству мишени.

Напряжение аналогового видеосигнала «кольцевого» фотоприемника формируется на выходе БПЗН 1-2-4 (см. клемму «Точка съема видеосигнала», показанную на фиг. 4). Очевидно, что таким образом для него обеспечено выравнивание разрешающей способности по всей мишени «кольцевого» изображения, реализуя практически одинаковую четкость изображения в пределах всего «кольцевого» кадра.

На выходе как первого 1-4, так и второго 1-9 сигнальных процессоров будет вырабатываться аналоговый видеосигнал чередующихся «кольцевых» кадров.

Далее выходные видеосигналы обоих процессоров при помощи мультиплексора 1-14 объединяются на одну линию, чередуясь с периодом 2T_к. Именно с таким периодом действует сигнал синхронизации для мультиплексора 1-14.

Затем в АЦП 1-5 аналоговый мультиплексный видеосигнал преобразуется в мультиплексный цифровой телевизионный сигнал (мультиплексный ЦТС) «кольцевого» кадра и поступает на выход телевизионной камеры.

Затем этот ЦТС по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на сервер 2, где (на плате видео) выполняется его демультиплексирование на четыре канала с последующей записью видеоинформации каждого канала соответственно в первый, второй, третий и четвертый блоки оперативной памяти на кадр.

Предположим, что, как и в прототипе, горизонтальный угол поля зрения (γ_г) предъявляемого оператору изображения составляет 60°. Тогда должно быть предусмотрено, что одна шестая часть каждой «кольцевой» строки как первого, так второго, третьего и четвертого «кольцевых» кадров записывается в сервере 2 соответственно в один из шести массивов оперативной памяти на кадр.

Затем в сервере 2 при помощи первого, второго, третьего и четвертого БПКП, реализующих возложенные на них функции программным путем, параллельно осуществляется операция поэлементного считывания видеоинформации, т.е. вывода из памяти сигналов изображения, а в результате - конвертирование каждого «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть».

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

Сделаем важное замечание. Для исключения поворота по горизонтали («зеркальности») изображений, формируемых второй «кольцевой мишенью каждого из двух фотоприемников, должно быть предусмотрено программным путем противоположное (реверсивное) направление поэлементного считывания видеосигнала из второго блока оперативной памяти по отношению к направлению вывода видеосигнала из первого блока оперативной памяти и соответственно - из четвертого блока памяти по отношению к третьему блоку памяти.

В результате выполнения данной операции считывания цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в n «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности операторам локальной вычислительной сети. В нашем примере эта последовательность содержит 6 различных изображений как для первого, так для второго, третьего и четвертого «кольцевых» кадров.

Это означает, что к шести изображениям контролируемой в реальном времени сферической области применительно к шаровому слою, который расположен спереди, добавляются еще восемнадцать изображений, имеющих отношение к невидимым прототипом шаровым слоям сзади, справа и слева.

Общая предлагаемая площадь наблюдения увеличивается почти в четыре раза. Принципиальное ограничение, которое не позволяет довести технический результат изобретения до 400%, объясняется исключением из процесса фотоприема тех областей для мишеней первого и второго фотоприемников, которые заняты не по назначению в результате сборки элементов сенсорного блока 1-2 по методу консольного соединения в шлиц под углом 90°.

В настоящее время все элементы структурной схемы заявляемого устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

Источники информации

1. Патент РФ №2552101, МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения и организация фотоприемника для его реализации / В.М. Смелков // БИ - 2015. - №16.

2. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. - Радио и связь, 1986.

3. Цыцулин А.К. Телевидение и космос: Учебное пособие / Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003.

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

5. Разработка светорегулирующих ячеек и технологического процесса их изготовления. Технический отчет по теме «Балтика». Новгород (Великий Новгород), 1979.

6. Ленк Дж. Электронные схемы: практическое руководство / Пер. с англ. - М.: Мир, 1985.

Изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной системой при помощи сенсора, состоящего из двух «кольцевых» фотоприемников, в различных шаровых слоях окружающей сферической области. Технический результат заключается в увеличении площади пространственной сферической области, контролируемой телевизионной камерой, за счет устранения ограничения области сферического пространства, наблюдаемой телевизионной камерой компьютерной системы, а также предотвращения изменения величины разрешающей способности изображения, формируемого «кольцевым» фотоприемником в пределах кадра, которая изменяется в сторону уменьшения по направлению к внешней периферии сенсора из-за увеличивающейся величины зазора между его светочувствительными элементами (пикселами), имеющими одинаковый показатель по геометрической площади. Результат достигается путем выполнения наблюдения в реальном времени дополнительно к одному шаровому слою еще и в трех других шаровых слоях при одновременном выравнивании разрешающей способности изображения. При этом для каждого из этих шаровых слоев телевизионный контроль ситуации в реальном времени осуществляется в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места. 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, при этом телевизионная камера состоит из последовательно расположенных и оптически связанных первого панорамного объектива и первого фотоприемника, управляющие входы которого подключены к соответствующим выходам блока «кольцевой» развертки фотоприемника, а выход первого фотоприемника подключен к информационному входу первого сигнального процессора, вход служебных импульсов которого подключен к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки фотоприемника, а выход управляющего сигнала - к первому управляющему входу блока «кольцевой» развертки фотоприемника, выход синхроимпульсов которого подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), выход которого является выходом телевизионной камеры; при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению 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, 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, при этом первый фотоприемник телевизионной камеры, выполненный в виде кругового кольца по технологии ПЗС, реализуя со стороны электродов первую «кольцевую» мишень сенсора, содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область, секцию памяти и выходной регистр сдвига, заканчивающийся БПЗН, при этом линейки светочувствительных и чередующиеся с ними линейки экранированных от света элементов (пикселов) фотоприемной области, а также линейки экранированных от света пикселов секции памяти расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там выходному регистру сдвига, который является «кольцевым», причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области и в каждой «кольцевой» строке секции памяти первого фотоприемника равно числу элементов в его «кольцевом» регистре сдвига, отличающееся тем, что в телевизионную камеру введены первый оптический затвор, расположенный между первым панорамным объективом и первой «кольцевой» мишенью сенсора, оптически связанные между собой второй панорамный объектив, второй оптический затвор и вторая «кольцевая» мишень сенсора, реализованная со стороны подложки первого фотоприемника при выполнении на ней аналогичного экранирования от света для отдельных пикселов фотоприемной области и всех пикселов секции памяти, третий панорамный объектив, второй фотоприемник, имеющий технологическую организацию, как и у первого фотоприемника, и объединенные с ним управляющие входы, а также четвертый панорамный объектив и четвертый оптический затвор, причем третий оптический затвор расположен между третьим панорамным объективом и первой «кольцевой» мишенью второго фотоприемника, а четвертый оптический затвор - между четвертым панорамным объективом и второй «кольцевой» мишенью второго фотоприемника, выход которого подключен к информационному входу второго сигнального процессора, вход служебных импульсов которого объединен с соответствующим входом первого сигнального процессора, а выход управляющего сигнала второго сигнального процессора подключен ко второму управляющему входу блока «кольцевой» развертки фотоприемника; блок управления затворами, управляющий вход которого подключен к выходу кадровых синхроимпульсов блока «кольцевой» развертки фотоприемника, первый выход блока управления затворами подключен к управляющему входу первого оптического затвора, а второй выход блока управления затворами - к управляющему входу второго оптического затвора; а также мультиплексор, первый информационный вход которого подключен к выходу видеосигнала первого сигнального процессора, второй информационный вход мультиплексора - к выходу видеосигнала второго сигнального процессора, вход синхронизации мультиплексора - к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки фотоприемника, а выход мультиплексора - информационному входу АЦП, причем в кристаллах обоих фотоприемников имеется разрез (сквозной шлиц), выполненный в радиальном направлении от воображаемого центра кольца к его внешней периферии, в расположение между БПЗН и первым элементом «кольцевого» регистра сдвига, при этом первый и второй фотоприемники при консольном соединении в шлиц под углом 90° образуют сенсорный блок телевизионной камеры, причем экспонирование первой и второй «кольцевых» мишеней как для первого, так и второго фотоприемника осуществляется поочередно в течение интервала активной части кадра, при этом площадь светочувствительных элементов на «кольцевых» мишенях от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь пиксела секции памяти; в телевизионную камеру введен блок формирования апертуры (БФА), информационный вход которого подключен к выходу импульсов сброса блока «кольцевой» развертки, синхронизирующий вход БФА - к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки, а выход БФА - к третьему управляющему входу блока «кольцевой» развертки, при этом период управляющих импульсов T_r, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением:

где Т_р - период считывания элемента в «кольцевом» фотоприемнике;

n_m - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике равна отношению:

где Δ₁ - площадь светочувствительного элемента для первой строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике;

Δ_m - площадь светочувствительного элемента для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике;

а в плату видео, расположенную на материнской плате сервера, дополнительно введены четырехканальный демультиплексор, второй БПКП, вход которого подключен к выходу второго блока оперативной памяти на кадр, третий БПКП, вход которого подключен к выходу третьего блока оперативной памяти на кадр, четвертый БПКП, вход которого подключен к выходу четвертого блока оперативной памяти на кадр, а выходы второго, третьего и четвертого БПКП - к выходу «сеть» сервера, причем для второго, третьего и четвертого БПКП число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1).

2. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что в телевизионной камере всю площадь первой «кольцевой» мишени обоих фотоприемников сенсорного блока занимают линейки светочувствительных элементов, которые непосредственно и последовательно связаны зарядовой связью с линейками элементов секции памяти, при этом в блоке «кольцевой» развертки фотоприемника реализована соответствующая «перестройка» циклограммы управляющих импульсов для сенсорного блока.

3. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что в телевизионной камере кристалл первого и второго фотоприемников выполнен из арсенида галлия.

4. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что в телевизионной камере электроды зарядового переноса на мишени первого и второго фотоприемников, в секции памяти этих фотоприемников, а также в их «кольцевом» регистре сдвига выполнены с геометрической формой в виде части кругового кольца.

5. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что в телевизионной камере первый оптический затвор выполнен в составе первого панорамного объектива, второй оптический затвор - в составе второго панорамного объектива, третий оптический затвор - в составе третьего панорамного объектива, а четвертый оптический затвор - в составе четвертого панорамного объектива.

6. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что в телевизионной камере блок управления затворами выполнен в составе блока «кольцевой» развертки фотоприемника.

7. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что в телевизионной камере первый сигнальный процессор и второй сигнальный процессор выполнены в составе двухканального сигнального процессора.

8. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что в телевизионной камере блок формирования апертуры (БФА) выполнен в составе блока «кольцевой» развертки фотоприемника.