Предлагаемое изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной системой при помощи сенсора 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 компьютеров, при этом в состав телевизионной камеры входит первый панорамный объектив, сенсорный блок, содержащий первый фотоприемник, второй фотоприемник, блок «кольцевой» развертки фотоприемника, первый сигнальный процессор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого является выходом телевизионной камеры, а также второй панорамный объектив, третий панорамный объектив, второй сигнальный процессор, первый оптический затвор, второй оптический затвор, блок управления затворами и мультиплексор, причем управляющие входы первого и второго фотоприемников сенсорного блока подключены к выходам импульсных напряжений блока «кольцевой» развертки фотоприемника, выход первого фотоприемника - к первому информационному входу первого сигнального процессора, а выход второго фотоприемника - к первому информационному входу второго сигнального процессора, вход служебных импульсов которого объединен с входом служебных импульсов первого сигнального процессора и подключен к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки фотоприемника, первый управляющий вход которого подключен к выходу управления первого сигнального процессора, а второй управляющий вход блока «кольцевой» развертки фотоприемника - к выходу управления второго сигнального процессора, выход кадровых синхроимпульсов блока «кольцевой» развертки фотоприемника подключен к управляющему входу блока управления затворами, первый выход которого подключен к управляющему входу первого оптического затвора, а второй выход - к управляющему входу второго оптического затвора, причем первый и второй фотоприемники сенсорного блока выполнены по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) в виде кругового кольца, а каждый из них содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область, являющуюся со стороны электродов «кольцевой» мишенью для первого фотоприемника и соответственно первой «кольцевой» мишенью для второго фотоприемника, а со стороны подложки кристалла - второй «кольцевой» мишенью для второго фотоприемника, а также выходной регистр сдвига, заканчивающийся блоком преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), при этом линейки светочувствительных и чередующиеся с ними линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца и расположенному там выходному регистру сдвига, который является «кольцевым» причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области, как первого, так и второго фотоприемника, равно числу элементов в его «кольцевом» регистре сдвига, а на 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 фотоприемник при консольном соединении в шлиц под углом 90° образуют сенсорный блок телевизионной камеры, причем экспонирование первой и второй «кольцевых» мишеней второго фотоприемника осуществляется поочередно в течение интервала активной части кадра для каждой мишени, при этом первый оптический затвор расположен между вторым панорамным объективом и первой «кольцевой» мишенью второго фотоприемника, а второй оптический затвор - между третьим панорамным объективом и второй «кольцевой» мишенью второго фотоприемника, выход первого сигнального процессора подключен к первому информационному входу мультиплексора, выход второго сигнального процессора - ко второму информационному входу мультиплексора, вход синхронизации которого - к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки фотоприемника, а выход мультиплексора - к информационному входу АЦП, при этом на материнской плате сервера установлена плата видео, выполняющая демультиплексирование входного цифрового телевизионного сигнала на три канала с последующей записью каждого из «кольцевых» видеосигналов в соответствующую (одну из трех) оперативную память сервера и преобразование первого, второго и третьего «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:
где 
- горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем.
Для прототипа предполагается, что кристалл первого и второго «кольцевых» фотоприемников выполнен из кремния, БПЗН каждого фотоприемника организован по типу «плавающая диффузионная область» [2], а поэтому имеет управляющий вход, обеспечивающий поэлементный сброс напряжения формируемого видеосигнала.
Недостаток прототипа - переменная величина разрешающей способности изображения, формируемого каждым из «кольцевых» фотоприемников 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 выравнивание разрешающей способности изображения телевизионной камеры.
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 компьютеров, при этом в состав телевизионной камеры входит первый панорамный объектив, сенсорный блок, содержащий первый фотоприемник, второй фотоприемник, блок «кольцевой» развертки фотоприемника, первый сигнальный процессор, АЦП, выход которого является выходом телевизионной камеры, а также второй панорамный объектив, третий панорамный объектив, второй сигнальный процессор, первый оптический затвор, второй оптический затвор, блок управления затворами и мультиплексор, причем управляющие входы первого и второго фотоприемников сенсорного блока подключены к выходам импульсных напряжений блока «кольцевой» развертки фотоприемника, выход первого фотоприемника - к первому информационному входу первого сигнального процессора, а выход второго фотоприемника - к первому информационному входу второго сигнального процессора, вход служебных импульсов которого объединен с входом служебных импульсов первого сигнального процессора и подключен к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки фотоприемника, первый управляющий вход которого подключен к выходу управления первого сигнального процессора, а второй управляющий вход блока «кольцевой» развертки фотоприемника - к выходу управления второго сигнального процессора, выход кадровых синхроимпульсов блока «кольцевой» развертки фотоприемника подключен к управляющему входу блока управления затворами, первый выход которого подключен к управляющему входу первого оптического затвора, а второй выход - к управляющему входу второго оптического затвора, причем первый и второй фотоприемники сенсорного блока выполнены по технологии ПЗС в виде кругового кольца, а каждый из них содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область, являющуюся со стороны электродов «кольцевой» мишенью для первого фотоприемника и соответственно первой «кольцевой» мишенью для второго фотоприемника, а со стороны подложки кристалла - второй «кольцевой» мишенью для второго фотоприемника, а также выходной регистр сдвига, заканчивающийся БПЗН, при этом линейки светочувствительных и чередующиеся с ними линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца и расположенному там выходному регистру сдвига, который является «кольцевым» причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области, как первого, так и второго фотоприемника, равно числу элементов в его «кольцевом» регистре сдвига, а на кристаллах обоих фотоприемников имеется разрез, 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 фотопримник при консольном соединении в шлиц под углом 90° образуют сенсорный блок телевизионной камеры, причем экспонирование первой и второй «кольцевых» мишеней второго фотоприемника осуществляется поочередно в течение интервала активной части кадра для каждой мишени, при этом первый оптический затвор расположен между вторым панорамным объективом и первой «кольцевой» мишенью второго фотоприемника, а второй оптический затвор - между третьим панорамным объективом и второй «кольцевой» мишенью второго фотоприемника, выход первого сигнального процессора подключен к первому информационному входу мультиплексора, выход второго сигнального процессора - ко второму информационному входу мультиплексора, вход синхронизации которого - к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки фотоприемника, а выход мультиплексора - к информационному входу АЦП, при этом на материнской плате сервера установлена плата видео, выполняющая демультиплексирование входного цифрового телевизионного сигнала на три канала с последующей записью каждого из «кольцевых» видеосигналов в соответствующую оперативную память сервера и преобразование первого, второго и третьего «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), введен блок формирования апертуры (БФА), информационный вход которого подключен 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 Tr, формируемых на выходе БФА определяется соотношением:
где Тр - период считывания элемента в первом и втором «кольцевых» фотоприемниках;
nm - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в каждом из «кольцевых» фотоприемников, равна отношению:
где Δ1 - площадь светочувствительного элемента для первой строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике;
Δm - площадь светочувствительного элемента для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике,
при этом площадь светочувствительных элементов и соответственно площадь экранированных элементов на «кольцевых» мишенях первого и второго фотоприемников от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь пиксела их «кольцевого» регистра сдвига.
В заявляемом решении, как и в прототипе [1], оба фотоприемник сенсорного блока, реализуют «кольцевой» растр телевизионного изображения по методу «кольцевой строчный перенос».
Важно подчеркнуть, что для этих фотоприемников могут быть применены те же управляющие сигналы, которые используются для организации «прямоугольной» развертки в матрицах ПЗС строчного 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, как и в прототипе [1], формирует на выходе мультиплексный цифровой телевизионный сигнал «кольцевого» изображения.
Первая составляющая мультиплексного сигнала состоит из двух последовательных телевизионных кадров, сформированных в традиционном режиме непрерывного экспонирования мишени первого фотоприемника со стороны электродов. Вторая же составляющая мультиплексного сигнала включает в себя два телевизионных кадра, полученных в результате поочередного экспонирования первой мишени второго фотоприемника (со стороны электродов) и второй его мишени (со стороны подложки кристалла).
Заметим, что при реализации на единственном фотоприемнике двух мишеней ПЗС, имеющих организацию «кольцевой строчный перенос, для защищенных от света элементов (пикселов) должна быть предусмотрена технологическая изоляция их на кристалле по двум направлениям, т.е., как со стороны электродов, так и со стороны подложки.
Выполнение поставленной задачи (выравнивания разрешающей способности изображения) 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.
Проведем анализ чувствительности сенсорного блока телевизионной камеры. 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 обнаружение 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;
kо - коэффициент отражения объекта;
kф - коэффициент отражения фона;
Δ2 - площадь пиксела;
Тн - время накопления;
η - квантовый выход;
Ψпор - 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 мишени первого фотоприемника сенсорного блока и первой мишени второго фотоприемника (со стороны электродов) имеем одинаковые показатели параметров N, kо, kф, Тн, Ψпор, D, ƒ, τ1, Δ2. Однако, по сравнению с мишенью первого фотоприемника, для первой мишени второго фотоприемника имеют место незначительные потери в чувствительности за счет коэффициента пропускания первого оптического затвора (τ2), который априори меньше единицы.
Зато для второй мишени второго фотоприемника (со стороны подложки), появляется существенный выигрыш в параметре квантового выхода (η) по причине удаления на пути фотонов металлических электродов. А это в совокупности заведомо компенсирует потери чувствительности за счет показателя τ2.
С другой стороны, для первого фотоприемника можно тоже организовать вторую (дополнительную) мишень со стороны подожки, обеспечив увеличение площади пространственной сферической области, контролируемой телевизионной камерой в реальном времени.
Для практической реализации этого технического эффекта необходимо ввести в состав телевизионной камеры третий оптический затвор, расположенный между первым панорамным объективом и первой «кольцевой» мишенью первого фотоприемника, а также четвертый оптический затвор и четвертый панорамный объектив, которые оптически связаны со второй «кольцевой» мишенью первого фотоприемника. Управляющий вход третьего оптического затвора должен быть подключен к первому выходу блока управления затворами, а управляющий вход четвертого оптического затвора - ко второму выходу блока управления затворами. Тогда экспонирование первой и второй «кольцевых» мишеней первого фотоприемника будет тоже выполняться поочередно в течение интервала активной части кадра для каждой мишени.
Очевидно, что в этом случае в телевизионной камере должно быть осуществлено четырехканальное мультиплексирование цифрового видеосигнала, а в сервере - четырехканальное демультиплексирование входного телевизионного сигнала.
Следует отметить, что при использовании заявляемого устройства компьютерной системы панорамного наблюдения в охранных целях, где вполне приемлемо черно-белое изображение сцены, разумно кристалл каждого фотоприемника сенсорного блока 1-2 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 выигрыш 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. 2 - фрагмент этих фотоприемников, иллюстрирующий подробности их технологической организации; 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 - структурная схема заявляемого устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, обеспечивающая дополнительный технический эффект; на фиг. 8а - фрагмент мишени второго фотоприемника, иллюстрирующий режим экспонирования со стороны электродов кристалла; на фиг. 8б - фрагмент мишени второго фотоприемника в режиме экспонирования со стороны подложки кристалла; на фиг. 9-10 представлены соответственно конструкция электрохромной ячейки и ее светорегулирующая характеристика при использовании этой ячейки в качестве первого и второго оптических затворов; на фиг. 11а и 11б изображены эпюры напряжений, обеспечивающих управление первым и вторым оптическими затворами, которые выполнены по технологии электрохромной ячейки.
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 компьютеров в позиции 3, при этом в состав телевизионной камеры 1 входит первый панорамный объектив 1-1, сенсорный блок 1-2, содержащий первый и второй фотоприемник, 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, второй сигнальный процессор 1-8, первый оптический затвор 1-9, второй оптический затвор 1-10, блок управления затворами 1-11, мультиплексор 1-12 и блок формирования апертуры (БФА) 1-13, 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 1-8, вход служебных импульсов которого объединен с входом служебных импульсов сигнального процессора 1-4 и подключен к соответствующему выходу блока 1-3, выход импульсов сброса которого подключен к информационному входу БФА 1-13, синхронизирующий вход которого подключен к соответствующему входу блока 1-3, а выход БФА 1-13 - к третьему управляющему входу блока 1-3, выход кадровых синхроимпульсов которого подключен к управляющему входу блока 1-11 управления затворами, первый выход которого подключен к управляющему входу оптического затвора 1-9, а второй выход блока 1-11 - к управляющему входу оптического затвора 1-10, причем первый и второй фотоприемник сенсорного блока 1-2 1 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 «кольцевой» мишенью для первого фотоприемника и соответственно первой «кольцевой» мишенью для второго фотоприемника, а со стороны подложки кристалла - второй «кольцевой» мишенью для второго фотоприемника, а также «кольцевой» регистр сдвига 1-2-2, заканчивающийся БПЗН 1-2-3, 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 1-2-4); первый оптический затвор 1-9 расположен между вторым панорамным объективом 1-6 и первой «кольцевой» мишенью второго фотоприемника, а второй оптический затвор 1-10 - между третьим панорамным объективом 1-7 и второй «кольцевой» мишенью второго фотоприемника; выход первого сигнального процессора 1-4 подключен к первому информационному входу мультиплексора 1-12, выход второго сигнального процессора 1-8 - ко второму информационному входу мультиплексора 1-12, вход синхронизации которого - к соответствующему выходу блока 1-3, а выход мультиплексора 1-12 - к информационному входу АЦП 1-5, при этом на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, выполняющая демультиплексирование входного цифрового телевизионного сигнала на три канала с последующей записью каждого из «кольцевых» видеосигналов в соответствующую (одну из трех) оперативную память сервера и преобразование первого, второго и третьего «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1).
Для реализации в заявляемом устройстве компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения дополнительного технического эффекта в части увеличения пространственной сферической области, контролируемой телевизионной камерой, в состав последней должны быть введены третий оптический затвор 1-14, четвертый оптический затвор 1-15 и четвертый панорамный объектив 1-16, как показано на фиг. 7. На этом чертеже дополнительно вводимые блоки (по отношению к схеме на фиг. 1) помечены штриховкой от центра.
Первый панорамный объектив 1-1, второй панорамный объектив 1-6 и третий панорамный объектив 1-7 телевизионной камеры предназначены для формирования оптических изображений кругового обзора для трех различных шаровых слоев контролируемого пространства, например для телевизионного оператора, это может быть соответствующее пространство спереди, справа и слева от него.
Очевидно, что дополнительно вводимый четвертый панорамный объектив 1-16 будет тогда контролировать пространство сзади.
В качестве технического решения для панорамных объективов 1-1, 1-6 и 1-7, 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 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 1-9 и второй оптический затвор 1-10 предназначены для поочередного импульсного экспонирования первой и второй «кольцевых» мишеней второго фотоприемника сенсорного блока 1-2.
Оптические затворы 1-9 и 1-10 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. 9) 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. 10) определяется свойствами электрохромной жидкости. Изменение коэффициента пропускания от τmax (70%) до τmin (1÷1,5%) составляет для большинства разработанных в советское время ячеек величину τmax/τmin=70÷150 при подаче на выводы постоянного напряжения U, величина которого составляет около 1,2 В.
Необходимо улучшить параметры ячеек, а именно: уменьшить τmin и, что важнее в первую очередь, - увеличить τmax.
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 1-16 должны иметь одинаковые технические параметры. Эта особенность распространяется и на оптические затворы 1-9, 1-10, 1-14 и 1-15.
Поэтому целесообразно оптический затвор интегрировать в состав панорамного объектива, т.е. выполнить их в составе одного оптического прибора.
Блок 1-11 управления затворами задает необходимую импульсную коммутацию ячеек с периодом кадров Tк.. Эпюры выходных сигналов представлены на фиг. 8а и 8б соответственно. Целесообразно блок 1-11 управления затворами интегрировать в состав блока 1-3.
Первый 1-4 и второй 1-8 сигнальные процессоры ничем не отличаются от соответствующих сигнальных процессоров прототипа [1]. Очевидно, что блоки 1-4 и 1-8 целесообразно выполнить в виде двухканального процессора.
Мультиплексор 1-12 предназначен для объединения двух входных сигналов на единственную магистраль с помощью разделения их по времени. Электрическая схема мультиплексора 1-12 может быть выполнена согласно техническому решению, которое опубликовано в работе [6, с. 295-296].
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: Uф1, Uф2, Uф3 - напряжения на шинах для трехфазного управления «кольцевым» регистром сдвига 1-2-3; Uвыхз - напряжение на выходном затворе; Двых, Дсбр - 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 Дсбр.
Эта процедура осуществляется при помощи управляющих импульсов Tr, называемых часто в литературе импульсами сброса, которые подаются на соответствующую шину управления БПЗН 1-2-3.
Блок формирования апертуры (БФА) 1-13 предназначен для управления считывающей апертурой в сенсорном блоке 1-2 при поэлементном съеме напряжения видеосигнала в БПЗН 1-2-3 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 Tr, вырабатываемая на выходе БФА 1-13, представлена на фиг. 5. Предполагается, что фотоприемник 1-2 содержит n «кольцевых» строк. На этой диаграмме первая строка обозначена как Тс1, а последняя строка - как Tcn.
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 Tr1, а период управляющих импульсов для последней «кольцевой» строки - Tr n. Период Tr1 является самым малым и равен периоду считывания элемента Тр, а период считывания Tr n. - самым большим, который равен nTr. Коэффициент n в последнем выражении определяется соотношением:
где Δ1 - площадь светочувствительного элемента для первой строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике;
Δn - 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 1-13 на практике может быть реализован с использованием классического набора технических средств (логических элементов) цифровой электроники. Очевидно, что БФА 1-13 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 «кольцевой мишени первого фотоприемника направлена по горизонтали вперед. Тогда, по отношению к этому направлению, ось визирования второго панорамного объектива 1-6 будет ориентирована влево по горизонтали, а ось визирования третьего панорамного объектива 1-7 - по горизонтали вправо. Это означает, что точно так же будут ориентированы и оптические оси первой и второй «кольцевых» мишеней второго фотоприемника.
Экспонирование «кольцевой» мишени первого фотоприемника производится непрерывно. Поэтому на выходе первого сигнального процессора 1-4 формируется аналоговый видеосигнал «кольцевого» кадра, который ничем не отличается от видеосигнала прототипа [1].
Экспонирование же «кольцевых» мишеней второго фотоприемника осуществляется в импульсном режиме при помощи оптических затворов 1-9 и 1-10. Эти оптические затворы обеспечивают поочередное кадровое накопление информационных зарядов на первой и второй «кольцевых» мишенях второго фотоприемника. Т.е., в интервале кадра, когда пропорционально освещенности панорамного сюжета идет процесс сбора зарядовых пакетов на первой его мишени, на второй его мишени он отсутствует, и наоборот (см. соответственно фиг. 8а и 8б).
В таком же режиме кадровой поочередности второй фотоприемник сенсорного блока 1-2 реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на мишени 1-2-1 с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов каждой строки в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-2 и с формированием на выходе БПЗН 1-2-3 напряжения мультиплексного видеосигнала. Это означает, что на выходе второго сигнального процессора 1-8 будет вырабатываться аналоговый видеосигнал чередующихся «кольцевых» кадров.
Блок формирования апертуры (БФА) 1-13 управляет работой обоих «кольцевых» фотоприемников по входу «Импульсы сброса» для БПЗН 1-2-3 (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 1-2-3 (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.
Далее выходные видеосигналы обоих процессоров при помощи мультиплексора 1-12 объединяются на одну линию, чередуясь с периодом 2Тк. Именно с таким периодом действует сигнал синхронизации для мультиплексора 1-12.
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 три канала с последующей записью видеоинформации каждого канала соответственно в первый, второй и третий блоки оперативной памяти на кадр.
Предположим, что, как и в прототипе, горизонтальный угол поля зрения (γг) предъявляемого оператору изображения составляет 60°. Тогда должно быть предусмотрено, что одна шестая часть каждой «кольцевой» строки, как первого, так второго и третьего «кольцевых» кадров, записывается в сервере 2 соответственно в один из шести массивов оперативной памяти на кадр.
Затем в сервере 2 при помощи первого, второго и третьего 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.
В результате 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, в которых обеспечено выравнивание разрешающей способности, а, следовательно, и повышенная четкость изображения по полю, как для первого, так для второго и третьего «кольцевых» кадров.
При реализации же в заявляемом устройстве компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения дополнительного технического эффекта путем выполнения структурной схемы устройства согласно чертежу на фиг. 7, будут получены еще 6 различных изображений повышенной четкости и для четвертого «кольцевого» кадра.
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 №2594169, МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения / В.М. Смелков // БИ - 2016. - №22.
2. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. - М.: 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. 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. Технический результат заключается в выравнивании разрешающей способности изображения телевизионной камеры. Результат достигается тем, что 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 площадь светочувствительных элементов и соответственно площадь экранированных элементов на «кольцевых» мишенях первого и второго фотоприемников от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь пиксела их «кольцевого» регистра сдвига. 7 з.п. ф-лы, 11 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 компьютера, при этом в состав телевизионной камеры входит первый панорамный объектив, сенсорный блок, содержащий первый фотоприемник, второй фотоприемник, блок «кольцевой» развертки фотоприемника, первый сигнальный процессор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП)), выход которого является выходом телевизионной камеры, а также второй панорамный объектив, третий панорамный объектив, второй сигнальный процессор, первый оптический затвор, второй оптический затвор, блок управления затворами и мультиплексор, причем управляющие входы первого и второго фотоприемников сенсорного блока подключены к выходам импульсных напряжений блока «кольцевой» развертки фотоприемника, выход первого фотоприемника - к первому информационному входу первого сигнального процессора, а выход второго фотоприемника - к первому информационному входу второго сигнального процессора, вход служебных импульсов которого объединен с входом служебных импульсов первого сигнального процессора и подключен к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки фотоприемника, первый управляющий вход которого подключен к выходу управления первого сигнального процессора, а второй управляющий вход блока «кольцевой» развертки фотоприемника - к выходу управления второго сигнального процессора, выход кадровых синхроимпульсов блока «кольцевой» развертки фотоприемника подключен к управляющему входу блока управления затворами, первый выход которого подключен к управляющему входу первого оптического затвора, а второй выход - к управляющему входу второго оптического затвора, причем первый и второй фотоприемники сенсорного блока выполнены по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) в виде кругового кольца, а каждый из них содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область, являющуюся со стороны электродов «кольцевой» мишенью для первого фотоприемника и соответственно первой «кольцевой» мишенью для второго фотоприемника, а со стороны подложки кристалла - второй «кольцевой» мишенью для второго фотоприемника, а также выходной регистр сдвига, заканчивающийся блоком преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), при этом линейки светочувствительных и чередующиеся с ними линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца и расположенному там выходному регистру сдвига, который является «кольцевым», причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области как первого, так и второго фотоприемника равно числу элементов в его «кольцевом» регистре сдвига, а на 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 второго фотоприемника осуществляется поочередно в течение интервала активной части кадра для каждой мишени, при этом первый оптический затвор расположен между вторым панорамным объективом и первой «кольцевой» мишенью второго фотоприемника, а второй оптический затвор - между третьим панорамным объективом и второй «кольцевой» мишенью второго фотоприемника, выход первого сигнального процессора подключен к первому информационному входу мультиплексора, выход второго сигнального процессора - ко второму информационному входу мультиплексора, вход синхронизации которого - к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки фотоприемника, а выход мультиплексора - к информационному входу АЦП, при этом на материнской плате сервера установлена плата видео, выполняющая демультиплексирование входного цифрового телевизионного сигнала на три канала с последующей записью каждого из «кольцевых» видеосигналов в соответствующую оперативную память сервера и преобразование первого, второго и третьего «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:
где 
- горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем,
отличающееся тем, что 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 Tr, формируемых на выходе БФА определяется соотношением:
где Tp - период считывания элемента в первом и втором «кольцевых» фотоприемниках;
nm - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в каждом из «кольцевых» фотоприемников, равна отношению:
где Δ1 - площадь светочувствительного элемента для первой строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике;
Δm - площадь светочувствительного элемента для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике,
при этом площадь светочувствительных элементов и соответственно площадь экранированных элементов на «кольцевых» мишенях первого и второго фотоприемников от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площади пиксела их «кольцевого» регистра сдвига.
2. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что в сенсорном блоке телевизионной камеры на кристалле первого фотоприемника со стороны подложки организована вторая «кольцевая» мишень, в состав телевизионной камеры введены третий оптический затвор, расположенный между первым панорамным объективом и второй «кольцевой» мишенью первого фотоприемника, а также четвертый оптический затвор и четвертый панорамный объектив, которые оптически связаны с первой «кольцевой» мишенью первого фотоприемника, при этом управляющий вход третьего оптического затвора объединен с управляющим входом первого оптического затвор, а управляющий вход четвертого оптического затвора - с управляющим входом второго оптического затвора.
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, 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.
| УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ | 2015 |
|
RU2594169C1 |
| US 6611289 B1, 2003.08.26 | |||
| US 2012307114 A1, 2012.12.06 | |||
| US 4811106 A, 1989.03.07 | |||
| US 2011234807 A1, 2011.09.29 | |||
| US 6563101 B1, 2003.05.13 | |||
| WO 2012061018 A2, 2012.05.10 | |||
| US 2004105005 A1, 2004.06.03 | |||
| US 5166511 A, 1992.11.24 | |||
| WO 2007019514 A2, 2007.02.15. | |||
