Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с повышенной разрешающей способностью Российский патент 2024 года по МПК H04N7/00 

Предлагаемое изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной системой при помощи телевизионной камеры, обеспечивающей последовательно и параллельно круговой обзор в четырех шаровых слоях окружающей сферической области пространства. При этом для каждого из этих шаровых слоев телевизионный контроль ситуации в реальном масштабе времени осуществляется в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места. Телевизионная камера такой системы имеет два сенсора: «кольцевой» и «прямоугольный» (матричный) фотоприемники, - изготовленные по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с повышенной разрешающей способностью [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок электрического вписывания изображения (БЭВИ), который осуществляет программным путем вложение (вставку) «кольцевого» кадра телевизионной камеры в «прямоугольный» растр компьютерного монитора, причем в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью вход БЭВИ подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход БЭВИ - к выходу «сеть» сервера; в состав платы видео входит также блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), который заменяет БЭВИ при переводе компьютерной системы в режим последовательного обзора панорамного сюжета, причем число «прямоугольных» кадров m, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:

, (1)

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

при этом в состав телевизионной камеры входит панорамный объектив, сенсорный блок, коммутатор-смеситель, генератор электронной отметки и селектор синхроимпульсов, причем сенсорный блок содержит в своем составе электромеханическую турель с поворотом на два положения, управляемую по команде с компьютера оператора системы, при этом на турели на регулируемом по высоте фланце расположен «кольцевой» фотоприемник и с разнесением на 180° - блок наведения, на котором установлен на регулируемом по высоте фланце матричный фотоприемник, причем в первом положении турели оптическое изображение панорамного объектива проецируется на мишень «кольцевого» фотоприемника, а во втором положении турели фрагмент оптического кадра панорамного объектива проецируется на мишень матричного фотоприемника, при этом «кольцевой» фотоприемник (сенсор) выполнен на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, и содержит на мишени линейки светочувствительных элементов (пикселов), расположенных вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, причем число светочувствительных пикселов в каждой «кольцевой» строке мишени одинаково, а их площадь от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии сенсора, т.е. светочувствительная площадь активного пиксела для первой строки (Δ₁) является максимальной, причем мишень сенсора, имеющая формат «кольцевой» мишени равный формату кадра панорамного объектива, состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K_m, а также встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки сенсора, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество «радиальных» шин видео - число пикселов в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: «кольцевой» регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор «кольцевой» строки; «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого «радиального» столбца, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора строчной развертки и обеспечивают передачу видеосигнала на выходе каждой «радиальной» шины видео на «кольцевую» шину видео, выход которой является выходом «Видео» «кольцевого» фотоприемника, при этом второй сенсор телевизионной камеры - матричный фотоприемник, установленный на блоке наведения, как и «кольцевой» сенсор, выполнен по технологии КМОП, с аналогичной организацией по методу «координатная адресация», причем число его «прямоугольных» строк равно числу «кольцевых» строк у «кольцевого» сенсора, но в отличие от него, число пикселов в строке превышает показатель, равный числу пикселов в строке у «кольцевого» сенсора, деленному на m, а при одинаковой светочувствительной площади (Δ) всех активных пикселов мишени коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «прямоугольной»» строки мишени матричного сенсора сохраняется постоянным и неизменным по величине; причем блок наведения осуществляет плавное пространственное перемещение матричного фотоприемника в пределах круга в положение, отмечаемое на изображении в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью электронной отметкой, которая одновременно является геометрическим центром предлагаемого к рассмотрению отдельно взятого фрагмента «кольцевого» кадра, при этом управление блоком наведения выполняется по команде оператора системы с компьютера; управление режимом «Видео» тоже выполняется по команде оператора, которая подается на управляющий вход коммутатора-смесителя, первый информационный вход которого подключен к выходу «Видео» «кольцевого» фотоприемника, второй информационный вход коммутатора-смесителя - к выходу «Видео» матричного фотоприемника, а третий информационный вход коммутатора-смесителя - к выходу сигнала генератора электронной отметки, управляющий вход которого подключен к выходу датчика положения блока наведения, причем выход «Видео» «кольцевого» фотоприемника подключен к входу селектора синхроимпульсов, выход кадровых синхроимпульсов (КСИ) которого подключен к первому входу генератора электронной отметки и соответственно к входу синхронизации коммутатора-смесителя, выход строчных синхроимпульсов (ССИ) селектора синхроимпульсов - ко второму входу генератора электронной отметки; а выход смеси синхроимпульсов приемника (ССП) селектора синхроимпульсов - к входу внешней синхронизации матричного сенсора, при этом коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки «кольцевого» сенсора изменяется по соотношению:

. (2)

где К₁ = 1, а для выравнивания чувствительностей «кольцевого» и матричного каналов должна быть увеличена в Δ₁/Δ раз величина номинального коэффициента K_m активного пиксела матричного сенсора.

В прототипе [1] обеспечивается возможность наблюдения панорамного сюжета полностью и отдельных его фрагментов с типовой и повышенной разрешающей способностью изображения, а также гарантируется повышенная степень интеграции телевизионной камеры за счет выполнения «кольцевого» и матричного сенсоров по технологии КМОП, позволяющей разместить на их кристаллах и необходимое электронное «обрамление фотоприемников.

Недостаток прототипа - возможность мониторинга панорамного сюжета только в одном и единственном шаровом слое сферической области окружающего пространства.

Задачей изобретения является возможность ведения мониторинга панорамного сюжета в четырех слоях окружающего пространства.

Поставленная задача в заявляемом устройстве системы панорамного телевизионного наблюдения с повышенной разрешающей способностью решается тем, что, как и в устройстве прототипа [1], содержащем последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая БЭВИ, который осуществляет программным путем вставку «кольцевого» кадра телевизионной камеры в «прямоугольный» растр компьютерного монитора, причем в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью вход БЭВИ подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход БЭВИ - к выходу «сеть» сервера; в состав платы видео входит также БПКП, который заменяет БЭВИ при переводе компьютерной системы в режим последовательного обзора панорамного сюжета, причем число «прямоугольных» кадров m, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), при этом в состав телевизионной камеры входит первый панорамный объектив, сенсорный блок, коммутатор-смеситель, генератор электронной отметки и селектор синхроимпульсов, причем сенсорный блок содержит в своем составе электромеханическую турель с поворотом на два положения, управляемую по команде с компьютера оператора системы, при этом на турели на регулируемом по высоте фланце расположен «кольцевой» фотоприемник и с разнесением на 180° - блок наведения, на котором установлен на регулируемом по высоте фланце матричный фотоприемник, причем в первом положении турели оптическое изображение панорамного объектива проецируется на мишень «кольцевого» фотоприемника, а во втором положении турели фрагмент оптического кадра панорамного объектива проецируется на мишень матричного фотоприемника, при этом «кольцевой» сенсор выполнен на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, и содержит на мишени линейки светочувствительных элементов (пикселов), расположенных вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, причем число светочувствительных пикселов в каждой «кольцевой» строке мишени одинаково, а их площадь от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии сенсора, т.е. светочувствительная площадь активного пиксела для первой строки (Δ₁) является максимальной, причем мишень сенсора, имеющая формат «кольцевой» мишени равный формату кадра панорамного объектива, состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K_m, а также встроенный АЦП, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки сенсора, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество «радиальных» шин видео - число пикселов в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: «кольцевой» регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор «кольцевой» строки; «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого «радиального» столбца, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора строчной развертки и обеспечивают передачу видеосигнала на выходе каждой «радиальной» шины видео на «кольцевую» шину видео, выход которой является выходом «Видео» «кольцевого» фотоприемника, при этом второй сенсор телевизионной камеры - матричный фотоприемник, установленный на блоке наведения, как и «кольцевой» сенсор, выполнен по технологии КМОП, с аналогичной организацией по методу «координатная адресация», причем число его «прямоугольных» строк равно числу «кольцевых» строк у «кольцевого» сенсора, но в отличие от него, число пикселов в строке превышает показатель, равный числу пикселов в строке у «кольцевого» сенсора, деленному на m, а при одинаковой светочувствительной площади (Δ) всех активных пикселов мишени коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «прямоугольной»» строки мишени матричного сенсора сохраняется постоянным и неизменным по величине; причем блок наведения осуществляет плавное пространственное перемещение матричного фотоприемника в пределах круга в положение, отмечаемое на изображении в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью электронной отметкой, которая одновременно является геометрическим центром предлагаемого к рассмотрению отдельно взятого фрагмента «кольцевого» кадра, при этом управление блоком наведения выполняется по команде оператора системы с компьютера; управление режимом «Видео» тоже выполняется по команде оператора, которая подается на управляющий вход коммутатора-смесителя, первый информационный вход которого подключен к выходу «Видео» «кольцевого» фотоприемника, второй информационный вход коммутатора- смесителя - к выходу «Видео» матричного фотоприемника, а третий информационный вход коммутатора-смесителя - к выходу сигнала генератора электронной отметки, управляющий вход которого подключен к выходу датчика положения блока наведения, причем выход «Видео» «кольцевого» фотоприемника подключен к входу селектора синхроимпульсов, выход КСИ которого подключен к первому входу генератора электронной отметки и соответственно к входу синхронизации коммутатора-смесителя, выход ССИ селектора синхроимпульсов - ко второму входу генератора электронной отметки; а выход ССП селектора синхроимпульсов - к входу внешней синхронизации матричного сенсора, при этом коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки «кольцевого» сенсора изменяется по соотношению (2), а для выравнивания чувствительностей «кольцевого» и матричного каналов должна быть увеличена в Δ₁/Δ раз величина номинального коэффициента K_m активного пиксела матричного сенсора, но при этом в отличие от прототипа [1], в состав телевизионной камеры введен второй панорамный объектив, третий панорамный объектив и четвертый панорамный объектив, а также блок позиционирования сенсоров (БПС), выполненный на базе шагового двигателя, вал которого непосредственно или через редуктор механически связан с сенсорным блоком, обеспечивая по команде оператора, поступающей с компьютера в телевизионную камеру, пространственный поворот сенсорного блока на угол 90° в пошаговом режиме четыре раз за цикл, так что его мишень, установленная по умолчанию симметрично в положение напротив первого панорамного объектива, последовательно устанавливается сначала симметрично в положение напротив второго панорамного объектива, затем симметрично в положение напротив третьего панорамного объектива, а в заключении - симметрично в положение напротив четвертого панорамного объектива, при этом новый цифровой видеосигнал, формируемый в телевизионной камере после завершения каждого из четырех поворотов фотоприемника, поочередно записывается в соответствующую ячейку оперативной памяти сервера, в качестве которого используется системный блок компьютера оператора системы.

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

Важно отметить следующее. Светочувствительная площадь пикселов мишени «кольцевого» фотоприемника, как и для прототипа [1], от строки к строке различна. Это вызывается необходимостью для «кольцевого» сенсора, имеющего одинаковое число пикселов в каждой строке, выравнивания разрешающей способности в пределах кадра путем обеспечения одинаковой величины технологического (производственного) зазора между светочувствительными элементами.

Но в заявляемом решении телевизионной камеры компьютерной системы, в отличие от прототипа [1], в качестве «кольцевого» фотоприемника может быть применен сенсор, у которого площадь мишени совпадает с размерами площади оптического кадра панорамного объектива, а величина показателя Δ₁ «кольцевого» сенсора больше показателя Δ матричного датчика.

В данном решении обеспечено и необходимое выравнивание чувствительности обоих каналов («кольцевого» и прямоугольного) телевизионного наблюдения, использующих такие сенсоры.

Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемой компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения и на этом же чертеже - структурная схема телевизионной камеры в ее составе, когда сенсорный блок занимает такое положение, которое обеспечивает ведение мониторинга окружающего пространства в его слое сзади; на фиг. 2 показаны все четыре возможные положения сенсорного блока телевизионной камеры, реализующие мониторинг окружающего пространства последовательно в четырех соях: сзади, справа, спереди и слева; на фиг. 3 приведена схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника; на фиг. 4 - подробности этой организации применительно к отдельно взятому «радиальному» столбцу; на фиг. 5 представлено размещение «кольцевого» и матричного фотоприемников на поворотной турели, штриховкой на этом чертеже показаны юстировочные фланцы, которые раздельно регулируются по высоте, обеспечивая точную настройку заднего отрезка объектива (заднего фокуса) для каждого из фотоприемников; на фиг. 6 - иллюстрация возможных положений мишени матричного фотоприемника на платформе блока наведения; на фиг. 7 - иллюстрация выполнения задачи по электрическому вписыванию изображения «кольцевого» кадра в прямоугольный растр компьютерного монитора; на фиг. 8 - пример выполнения электрической схемы блока наведения; на фиг. 9, по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива, которая является подтверждением реализуемости заявляемого устройства; на фиг. 10 - приведена иллюстрация принципа действия шагового двигателя, который используется в составе телевизионной камеры.

Заявляемая компьютерная система панорамного телевизионного наблюдения (см. фиг. 1) содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и сервер 2 (с установленной в нем платой видео), который является узлом локальной вычислительной сети, с возможностью подключения к ней двух или более персональных компьютеров в позиции 3.

В качестве сервера, как и в прототипе [1], использован системный блок компьютера 4 оператора системы.

Телевизионная камера 1, см. фиг. 1 и фиг. 2, содержит первый панорамный объектив 1-1-1, второй панорамный объектив 1-1-2, третий панорамный объектив 1-1-3 и четвертый панорамный объектив 1-1-4; сенсорный блок (отмечен на фиг. 1 линиями из квадратных точек), имеющий в составе электромеханическую турель 1-3, на которой расположены «кольцевой» фотоприемник 1-2 и матричный фотоприемник 1-4, который установлен на блок наведения 1-5; также в состав телевизионной камеры 1 входит коммутатор-смеситель 1-6, генератор 1-7 электронной отметки и селектор синхроимпульсов 1-8; Выход коммутатора-смесителя 1-6 является выходом «Видео» телевизионной камеры.

По линии связи одна команда управления телевизионной камерой с компьютера 4 оператора системы поступает на управляющий вход коммутатора-смесителя 1-6, вторая команда - на турель 1-3, третья команда - на блок наведения 1-5, а четвертая команда - на вход блока позиционирования сенсоров (БПС 1-9), выход которого подключен к входу управления поворотом сенсорного блока. Первый информационный вход блока 1-6 подключен к выходу «Видео» «кольцевого» фотоприемника 1-2, его второй информационный вход - к выходу «Видео» матричного фотоприемника 1-4, а его третий информационный вход - к выходу генератора электронной отметки 1-7. На управляющий вход генератора 1-7 электронной отметки подается сигнал с датчика положения блока наведения 1-5. Выход «Видео» «кольцевого» фотоприемника 1-2 подключен также к входу селектора 1-8 синхроимпульсов, выход КСИ которого подключен к первому входу генератора 1-7 и соответственно к входу синхронизации коммутатора-смесителя 1-6, выход ССИ - ко второму входу генератора 1-7, а выход ССП - ко входу внешней синхронизации матричного фотоприемника 1-4.

Плата видео выполняет программным путем следующие операции:

• запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера в автоматическом режиме;

• электрическое вписывание изображения «кольцевого» кадра из оперативной памяти в «прямоугольный» растр компьютерного монитора в режиме 1 работы системы (наблюдения панорамного сюжета полностью) для каждого из четырех слоев пространства;

• мониторинг фрагментов «кольцевого» кадра в режиме 2 работы системы с повышенной разрешающей способностью изображения выбранных участков при помощи матричного фотоприемника.

Важно отметить, что в режиме 2 принципиально исключаются пропуски видеоинформации на последовательных стыках (между соседними «прямоугольными» кадрами), см. фиг. 6, т.к. эти участки могут быть просмотрены дополнительно.

Как и в прототипе [1], в компьютерной программе применительно к операции по реализации электрического вписывания «кольцевого» кадра в «прямоугольный» растр монитора обеспечено соблюдение последовательности передачи телевизионных строк.

При условии размещения вписываемого кадра в центральной части экрана монитора выполнение этой задачи представлено на фиг. 7.

Продемонстрируем заложенный в эту программы алгоритм, используя растровое положение точечных изображений от двух пикселов «А» и «В» для «кольцевого» фотоприемника 1-2.

Пусть, как показано на фиг. 3, пиксел «А» считывается первым в первой «кольцевой» строке сенсора, а пиксел «В» - точно посередине этой строки.

Тогда в «прямоугольном» растре компьютерного монитора (см. фиг. 7) изображение от пиксела «А» будет занимать положение центрального элемента его первой строки, а изображение от пиксела «В» - положение центрального элемента его последней строки.

Панорамные объективы 1-1-1, 1-1-2, 1-1-3 и 1-1-4 предназначены для формирования оптических изображений кругового обзора последовательно для четырех шаровых слоев контролируемого пространства сзади, справа, спереди и слева, соответствующих направлению взгляда телевизионного оператора, как показано на фиг. 2.

В качестве технического решения для панорамных объективов 1-1, 1-2, 1-3 и 1-4, совпадающего с аналогичным решением объектив для прототипа [1], может быть предложен панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами из Московского государственного университета геодезии и картографии [2]. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75-80) градусов по углу места.

Как и в прототипе [1], «кольцевой» фотоприемник 1-2 (см. фиг. 3) выполнен по технологии КМОП и содержит на общем кристалле «кольцевую» фото приемную область (мишень) 1-2-1, «кольцевой» регистр 1-2-2 кадровой развертки, «кольцевой» коммутатор 1-2-3 видеосигналов и «кольцевой» мультиплексор 1-2-4.

Как показано на фиг. 3, активные пикселы на мишени фотоприемника объединены в столбцы, которые расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца.

Каждый активный пиксел мишени (см. фиг. 4) имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 1-2-1-1, усилитель 1-2-1-2 с коэффициентом усиления K_m для каждой текущей «кольцевой» строки и АЦП 1-2-1-3.

«Кольцевой» коммутатор 1-2-3 видеосигналов состоит из отдельных коммутаторов 1-2-3-1 видеосигнала, число которых соответствует числу активных пикселов в строке, объединенных «кольцевой» шиной видео 1-2-3-2.

Отметим, что показанная на фиг. 3 форма светочувствительной площади пиксела в виде прямоугольника, а на фиг. 3 - латинской буквы L, - являются условными. На практике электроды зарядового накопления активных пикселов мишени сенсора, совпадающие с площадью их светочувствительной площади, могут быть выполнены совершенно иначе, например, с геометрической формой в виде части кругового кольца.

Управление АЦП 1-2-1-3 пиксела, как и всех остальных пикселов мишени, осуществляется с управляющего входа «кольцевого» мультиплексора 1-2-3. передающей сигнал управления с соответствующего выхода «кольцевого» регистра 1-2-2 кадровой развертки.

Видеосигнал с выхода каждого АЦП 1-2-1-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого «радиального» столбца передается на «радиальную» шину видео 1-2-1-5. Далее при помощи «своего» ключевого МОП-транзистора коммутатора 1-2-3-1, управляемого с одного из выходов мультиплексора 1-2-4, цифровой видеосигнал текущего пиксела передается на «кольцевую» шину видео 1-2-3-2, а затем транслируется по ней на выход фотоприемника.

То же самое формирование цифрового видеосигнала происходит и в пределах других радиально расположенных столбцов «кольцевой» мишени 1-2-1 каждого из двух фотоприемников сенсорного блока 1-2.

Отметим, что на фиг. 3 пунктирные стрелки показывают управление «кольцевыми» строчными шинами 1-2-1-4 фотоприемника со стороны «кольцевого» регистра 1-2-2 кадровой развертки. То, что здесь, как и на фиг. 3, изображены лишь четыре строчные шины является условностью чертежа. На самом деле число шин 1-2-1-4 соответствует показателю действительного числа «кольцевых» строк в заявляемом сенсоре.

Поясним дополнительно на фиг. 3 и другое. Стрелки с непрерывными линиями отмечают передачу сигнала изображения в сенсоре по «радиальным» шинам видео 1-2-1-5 в направлении к «кольцевому» коммутатору 1-2-3 видеосигналов.

В результате в «кольцевом» растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой «кольцевой» строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала фотоприемника.

Благодаря принятой для изготовления предлагаемого датчика видеосигнала технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник с АЦП для каждого активного пиксела, но и блоки цифровой развертки телевизионной камеры. Реализация такого решения обеспечивает существенное снижение общего энергопотребления телевизионной камеры.

Как и в прототипе [1], матричный фотоприемник 1-4 выполнен также по технологии КМОП и сохраняет все признаки прибора, реализованного по методу «координатная адресация» американскими специалистами в «нулевые» двухтысячные годы. Об этом сообщалось и подробно комментировалось в отечественной монографии [3, с. 67, рис. 1.21].

В той же работе [3, с. 65] отмечалось, что применение активного усилителя в пикселе позволяет осуществить в таком сенсоре режим зарядового, т.е. до коммутационного усиления видеосигнала, добиваясь величины эквивалентного преобразования «свет - сигнал» до 250 мкВ/е.

Именно этот результат явился решающей предпосылкой заявляемого решения, т.к. его можно распространить и на «кольцевой» сенсор, работающий совместно (параллельно) с матричным фотоприемником.

Очевидно, что по технологии КМОП на кристалле матричного фотоприемника 1-4 также успешно реализуется задача по формированию цифрового видеосигнала «прямоугольного» растра с пониженным энергопотреблением.

К этому необходимо добавить, что «кольцевой» фотоприемник 1-2 и матричный фотоприемник 1-4 могут формировать телевизионный сигнал как монохромного (черно-белого), так и цветного изображения.

Устройство «кольцевого» фотоприемника цветного изображения было предложено в патенте РФ [4]. Отметим, что обязательный в этом решении инфракрасный светофильтр (ИК-фильтр), обеспечивающий согласование фотоприемника со спектральной чувствительностью человеческого глаза, может быть выполнен в составе панорамного объектива или интегрирован непосредственно в «кольцевой» сенсор.

Как и в прототипе [1], в заявляемом решении блок наведения 1-5 осуществляет плавное круговое пространственное перемещение мишени матричного фотоприемника 1-4 по проекции «кольцевого» изображения панорамной сцены.

Рассмотрим работу блока 1-5 (см. фиг. 8), электрическая схема которого выполнена на двух оптронах HSSR, обозначенных как VT1 и VT2.

Изделие HSSR-7111 согласно публикации [5] - однополюсный нормально разомкнутый оптрон с выходным каскадом на мощных МОП-транзисторах, имеет очень малое сопротивление во включенном состоянии и работает в точности как полупроводниковое реле.

Управление наведением осуществляется командами в соответствии с табл.1,

Подаваемые в телевизионную камеру с компьютера по двухпроводной линии связи сигналы управления блоком 1-5 наведения являются постоянными напряжениями положительной или отрицательной полярности величиной (5…12) Вольт, отсчитываемыми относительно провода «общий».

При отсутствии команд управления эти напряжений тоже отсутствуют. Поэтому оптроны VT1 и VT2 разомкнуты, а электродвигатель М обесточен.

Пусть по линии связи на блок 1-5 наведения поступает команда «Управление поворотом» - «Вперед». Тогда оптрон VT2 замыкается, а электродвигатель М подключается к источнику переменного напряжения ~U и начинает вращаться. Если же взамен этой команды поступит команда «Управление поворотом» - «Назад», то замкнется оптрон VT1, а электродвигатель М будет вращаться в другом направлении.

Концевые выключатели SF1 и SF2 обеспечивают границы позиционирования в пределах одного кругового оборота матричного фотоприемника 1-4. Датчик положения выполнен на базе переменного резистора RP_n имеющего линейную зависимость изменения сопротивления от угла поворота, а постоянный резистор R_n* служит для реализации настроечной работы по точному позиционированию. Движок резистора RP_n кинематическим методом (через редуктор) связан с двигателем М.

Отметим, что сигнал датчика положения (напряжение U_n с потенциометра RP_n), поступает на управляющий вход генератора 1-7 электронной отметки, обеспечивая перемещение маркера на «кольцевом» изображении в соответствии с командами, поступающими с блока 1-5.

Техническое решение в заявляемом устройстве электромеханической турели 1-3 и ее компьютерное управление в системе ничем не отличается от предложенного ранее в прототипа [1].

Блок позиционирования сенсоров (БПС 1-9) выполнен на базе шагового двигателя, который представляет собой электрическую машину, предназначенную для преобразования электрической энергии в механическую энергию, см. например, монографию [6, с. 95] и публикацию в интернете [7].

Конструктивно шаговый двигатель состоит из обмоток статора и магнитно мягкого или магнитно твердого ротора.

Отличительной особенностью шагового двигателя является дискретное вращение, при котором заданному числу импульсов соответствует определенное число совершаемых шагов. Очевидно, что при конструктивной необходимости шаговый двигатель может быть оснащен редуктором.

Принцип действия шагового двигателя, применяемого в БПС 1-9 заявляемого устройства показан на фиг. На этом чертеже изображены 4 обмотки, которые относятся к статору двигателя, а их расположение устроена так, что они находятся под углом 90° относительно друг друга. Из чего следует, что такая машина характеризуется размером шага в 90°.

В момент подачи высокого уровня импульсного напряжения U1 в первую обмотку происходит перемещение ротора на те же 90°. В случае поочередной подачи высокого уровня импульсного напряжения U2, U3, U4 в соответствующие обмотки, вал продолжит вращение до завершения полного круга. После чего цикл повторяется снова. Для изменения направления вращения достаточно изменить очередность подачи импульсов в соответствующие обмотки статора шагового двигателя.

Для подачи потенциала на обмотки шагового двигателя необходим механизм, способный выдать группу импульсов в конкретной последовательности. В роли такого механизма выступает блок управления шаговым двигателем, который содержит драйвер на основе микропроцессора, а также контроллер, обеспечивающий непосредственное подключение цифровых сигналов к данному двигателю.

Очевидно, что в заявляемом устройстве компьютерной системы БПС 1-9 телевизионной камеры содержит последовательно соединенные между собой шаговый двигатель, обеспечивающий четыре фиксированных положения вала под углом 90°, и блок управления шаговым двигателем, вход которого подключен через USB интерфейс к внешнему блоку цифрового управления со стороны компьютера 4.

Заявляемое устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с повышенной разрешающей способностью (см. фиг. 1) работает следующим образом. Как и в прототипе [1], предполагается, что телевизионная камера 1 установлена в фиксированное положение, например при помощи фото штатива (на фиг. 1 он не показан).

Пусть конструкторское решение сенсорного блока в составе телевизионной камеры 1, см. фиг. 1 и фиг. 2, реализовано так, что в исходном положении 1 ось визирования первого панорамного объектива 1-1-1, а, следовательно, и оптическая ось фотоприемника 1-2 направлена по горизонтали сзади. Отметим, что мишень фотоприемника 1-2 занимает в данной ситуации положение, которое показано линиями из квадратных точек.

Характеристика сигналов управления телевизионной камерой 1 с компьютера 4, сопутствующих команде «Выбор режима видео», представлена в табл. 2. Они являются типовыми логическими сигналами в уровнях ТТЛ.

При включении компьютерная система начинает действовать по умолчанию в режиме 1. Тогда на мишень «кольцевого» фотоприемника 1-2 проецируется «кольцевое» оптическое изображение контролируемого панорамного сюжета.

По выходу «Видео» сформированный цифровой телевизионный сигнал (ЦТС) по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на сервер 2, где выполняется запись видеоинформации в блок оперативной памяти на кадр.

В этом режиме оператор компьютера 4 наблюдает полное изображение панорамной сцены, формируемое «кольцевым» фотоприемником 1-2 и электронную отметку на нем, например «крест», который показывает текущее местоположение геометрического центра мишени матричного фотоприемника 1-4.

Будем считать, что наша электронная отметка («крест») априори располагается точно в середине «кольцевого» изображения по его ширине.

Затем оператор компьютера 4 выполнит переключение системы в режим 2 работы, а на турель 1-3 последует его команда поворота на 180°.

В результате в оптическом кадре панорамного объектива будет осуществлена замена фотоприемника 1-2 на фотоприемник 1-4, а оператору будет предложено телевизионное изображение фрагмента панорамной сцены, которое формируется в данный момент матричным сенсором 1-4 при его текущем местоположении.

Для того, чтобы коммутация режимов работы системы происходила без внесения искажений в наблюдаемые изображения, фотоприемники телевизионной камеры работают в режиме Genlock, который обеспечивается путем подачи на вход внешней синхронизации матричного сенсора 1-4 сигнала синхронизации приемника (ССП) от «кольцевого» сенсора 1-2.

Дополнительно к этому в коммутаторе-смесителе 1-6 обеспечивается «привязка» временного процесса переключения команд к интервалу кадрового синхроимпульса (КСИ), вырабатываемого на выходе селектора 1-8 синхроимпульсов.

Если число светочувствительных пикселов в строке матричного фотоприемника 1-4 равно числу пикселов для «кольцевой» строки сенсора 1-2, получаемый выигрыш в разрешающей способности (четкости) этого фрагмента панорамного изображения, составит m раз.

Благодаря выравниванию в телевизионной камере чувствительностей «кольцевого» и матричного фотоприемников, этот выигрыш достигается без потерь отношения сигнал/шум наблюдаемого изображения.

После завершения записи этого изображения в дополнительный блок памяти сервера 2 оно также становится доступным для всех пользователей компьютеров 3.

Для получения в телевизионной камере 1 ЦТС применительно к трем другим шаровым слоям окружающего пространства достаточно подавать с компьютера 4 необходимые команды, обеспечивающие последовательно поворот сенсорного блока, а, следовательно, и фотоприемника 1-2 (по часовой стрелке) на угол 90° при помощи шагового двигателя БПС 1-9.

В результате мишень «кольцевого» фотоприемника 1-2 (см. фиг. 2) сначала оказывается в положении 2 напротив второго панорамного объектива 1-1-2, затем в положении 3 - напротив третьего панорамного объектива 1-1-3, а в завершении цикла - напротив четвертого панорамного объектива 1-1-4.

Как и первый ЦТС, каждый из трех новых ЦТС последовательно будет подвержен записи соответственно во второй, третий и четвертый блок оперативной памяти на кадр.

К этому следует добавить, что в заявляемом решении, как и в прототипе [1], сохраняется режим последовательного обзора панорамного сюжета с типовой (пониженной) разрешающей способностью, реализация которого заложена компьютерной программой в плате видео сервера 2 предлагаемой системы.

Целесообразность сохранения этого режима обзора определяется возможностью доступа к видеоинформации в реальном масштабе времени.

Важно отметить, что в заявляемом решении может быть реализовано точное позиционирование мишени матричного фотоприемника 1-4 в пределах всей площади панорамного изображения, формируемого «кольцевым» фотоприемником 1-2.

В настоящее время все элементы структурной схемы устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с повышенной разрешающей способностью освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2785152. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с повышенной разрешающей способностью. / В.М. Смелков // Б.И. - 2022. - №34.

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

3. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К. и Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле. Под ред. А.А. Умбиталиева и А.К. Цыцулина. - М.: «Радио и связь», 2006.

4. Патент РФ №2710779. МПК H04N 5/374. Устройство «кольцевого» фотоприемника цветного изображения для панорамного телевизионно-компьютерного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2019 - №2.

5. https//www.avagotech.com.

6. Гинзбург С.А., Лехтман И.Я., Малов B.C. Основы автоматики и телемеханики. Под общ. ред. С.А. Гинзбурга. Изд. 4-е переработанное. Пер. с англ. - «Энергия», 1968.

7. https//www.asutpp.ru/shagovyy-dvigatel.html.

Изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной системой при помощи телевизионной камеры. Техническим результатом является ведение мониторинга панорамного сюжета в четырех слоях окружающего пространства. Результат достигается тем, что телевизионная камера такой системы имеет два сенсора: «кольцевой» и «прямоугольный» (матричный) фотоприемники, - изготовленные по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП). Также в состав телевизионной камеры введены четыре панорамных объектива и блок позиционирования сенсоров (БПС), выполненный на базе шагового двигателя, вал которого непосредственно или через редуктор механически связан с сенсорным блоком, обеспечивая по команде оператора, поступающей с компьютера в телевизионную камеру, пространственный поворот сенсорного блока на угол 90 градусов в пошаговом режиме четыре раза за цикл, так что его мишень, установленная по умолчанию симметрично в положение напротив каждого из четырех панорамных объективов. При этом каждый новый цифровой видеосигнал, формируемый в телевизионной камере после завершения каждого из четырех поворотов фотоприемника, поочередно записывается в соответствующую ячейку оперативной памяти сервера, что обеспечивает последовательно и параллельно круговой обзор в четырех шаровых слоях окружающей сферической области пространства. 2 з.п. ф-лы, 10 ил., 2 табл.

1. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с повышенной разрешающей способностью, содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок электронного вписывания изображения (БЭВИ), который осуществляет программным путем вложение (вставку) «кольцевого» кадра телевизионной камеры в «прямоугольный» растр компьютерного монитора, причем в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью вход БЭВИ подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход БЭВИ - к выходу «сеть» сервера; в состав платы видео входит также блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), который заменяет БЭВИ при переводе компьютерной системы в режим последовательного обзора панорамного сюжета, причем число «прямоугольных» кадров m, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:

, (1)

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

при этом в состав телевизионной камеры входит первый панорамный объектив, сенсорный блок, коммутатор-смеситель, генератор электронной отметки и селектор синхроимпульсов, причем сенсорный блок содержит в своем составе электромеханическую турель с поворотом на два положения, управляемую по команде с компьютера оператора системы, при этом на турели на регулируемом по высоте фланце расположен «кольцевой» фотоприемник и с разнесением на 180° - блок наведения, на котором установлен на регулируемом по высоте фланце матричный фотоприемник, причем в первом положении турели оптическое изображение панорамного объектива проецируется на мишень «кольцевого» фотоприемника, а во втором положении турели фрагмент оптического кадра панорамного объектива проецируется на мишень матричного фотоприемника, при этом «кольцевой» сенсор выполнен на кристалле, изготовленном по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП), и содержит на мишени линейки светочувствительных элементов (пикселов), расположенных вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, причем число светочувствительных пикселов в каждой «кольцевой» строке мишени одинаково, а их площадь от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии сенсора, т.е. светочувствительная площадь активного пиксела для первой строки (Δ₁) является максимальной, причем мишень сенсора, имеющая формат «кольцевой» мишени равный формату кадра панорамного объектива, состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K_m, а также встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки сенсора, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество «радиальных» шин видео - число пикселов в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: «кольцевой» регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор «кольцевой» строки; «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого «радиального» столбца, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора строчной развертки и обеспечивают передачу видеосигнала на выходе каждой «радиальной» шины видео на «кольцевую» шину видео, выход которой является выходом «Видео» «кольцевого» фотоприемника, при этом второй сенсор телевизионной камеры - матричный фотоприемник, установленный на блоке наведения, как и «кольцевой» сенсор, выполнен по технологии КМОП, с аналогичной организацией по методу «координатная адресация», причем число его «прямоугольных» строк равно числу «кольцевых» строк у «кольцевого» сенсора, но в отличие от него, число пикселов в строке превышает показатель, равный числу пикселов в строке у «кольцевого» сенсора, деленному на m, а при одинаковой светочувствительной площади (Δ) всех активных пикселов мишени коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «прямоугольной» строки мишени матричного сенсора сохраняется постоянным и неизменным по величине; причем блок наведения осуществляет плавное пространственное перемещение матричного фотоприемника в пределах круга в положение, отмечаемое на изображении в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью электронной отметкой, которая одновременно является геометрическим центром предлагаемого к рассмотрению отдельно взятого фрагмента «кольцевого» кадра, при этом управление блоком наведения выполняется по команде оператора системы с компьютера; управление режимом «Видео» тоже выполняется по команде оператора, которая подается на управляющий вход коммутатора-смесителя, первый информационный вход которого подключен к выходу «Видео» «кольцевого» фотоприемника, второй информационный вход коммутатора-смесителя - к выходу «Видео» матричного фотоприемника, а третий информационный вход коммутатора-смесителя - к выходу сигнала генератора электронной отметки, управляющий вход которого подключен к выходу датчика положения блока наведения, причем выход «Видео» «кольцевого» фотоприемника подключен к входу селектора синхроимпульсов, выход кадровых синхроимпульсов (КСИ) которого подключен к первому входу генератора электронной отметки и соответственно к входу синхронизации коммутатора-смесителя, выход строчных синхроимпульсов (ССИ) селектора синхроимпульсов - ко второму входу генератора электронной отметки; а выход смеси синхроимпульсов приемника (ССП) селектора синхроимпульсов - к входу внешней синхронизации матричного сенсора, при этом коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки «кольцевого» сенсора изменяется по соотношению:

, (2)

а для выравнивания чувствительностей «кольцевого» и матричного каналов должна быть увеличена в Δ₁/Δ раз величина номинального коэффициента K_m активного пиксела матричного сенсора, отличающееся тем, что в состав телевизионной камеры введен второй панорамный объектив, третий панорамный объектив и четвертый панорамный объектив, а также блок позиционирования сенсоров (БПС), выполненный на базе шагового двигателя, вал которого непосредственно или через редуктор механически связан с сенсорным блоком, обеспечивая по команде оператора, поступающей с компьютера в телевизионную камеру, пространственный поворот сенсорного блока на угол 90° в пошаговом режиме четыре раз за цикл, так что его мишень, установленная по умолчанию симметрично в положение напротив первого панорамного объектива, последовательно устанавливается сначала симметрично в положение напротив второго панорамного объектива, затем симметрично в положение напротив третьего панорамного объектива, а в заключении - симметрично в положение напротив четвертого панорамного объектива, при этом новый цифровой видеосигнал, формируемый в телевизионной камере после завершения каждого из четырех поворотов фотоприемника, поочередно записывается в соответствующую ячейку оперативной памяти сервера, в качестве которого используется системный блок компьютера оператора системы.

2. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что «кольцевой» и матричный фотоприемники телевизионной камеры являются датчиками монохромного или цветного телевизионного сигнала.

3. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения по п. 1 или 2, отличающееся тем, что в «кольцевом» фотоприемнике телевизионной камеры электроды зарядового накопления активных пикселов мишени сенсора, совпадающие с площадью их светочувствительной площади, выполнены с геометрической формой в виде части кругового кольца.