Оптическая система видеонаблюдения Российский патент 2024 года по МПК G02B7/10 H04N5/222 

Изобретение относится к оптическим системам видеонаблюдения, представленным в виде многосенсорных устройств видеонаблюдения с возможностью регулирования угла наклона и поворота каждого сенсорного модуля в составе устройства.

Под оптической системой видеонаблюдения понимается устройство, выполненное в виде блока с размещенными сенсорными модулями, каждый их который включает в себя объектив и светочувствительную матрицу, выполненными с возможностью изменения их положения, и предназначено для видеонаблюдения подконтрольной территории. Все элементы размещены на опорной платформе и представляют собой соединенные между собой узлы сборочными операциями и находящиеся в функциональном единстве.

На основании представленного пояснения специалисту в данной области техники очевидно, что заявленная оптическая система состоит из конструктивных элементов, представляющих собой сборочные единицы, соединенные между собой сборочными операциями (например, с помощью винтов, болтов, штифтов, пайкой и т.д.), выполнены в едином корпусе и обладают функционально-конструктивным единством.

Расширение сфер применения систем видеонаблюдения обусловлено необходимостью организации визуального контроля за происходящими ситуациями на территории транспортных (автовокзалы, ж/д вокзалы, аэропорты, метро, общественный транспорт), торгово-развлекательных (торгово-развлекательные центры), культурных (музеи, театры, выставки) и производственных (в том числе, особо охраняемые, секретные и опасные производства) объектов с целью выявления и своевременного предотвращения правонарушений, опасных, нештатных ситуаций, и, как следствие, обеспечения безопасности людей (персонала, посетителей) и, находящегося на территории охраняемого объекта, имущества.

В связи с данным фактов, перед производителями систем видеонаблюдения стоит задача разработки технических решений, направленных на увеличение угла обзора видеокамер при получении качественного изображения для возможности осуществления эффективного мониторинга обширных подконтрольных территорий.

Из данной области техники известные следующие технические решения.

Известна телевизионная камера (патент RU 67803), включающая прилегающий к фланцу держатель, выполненный в форме полого стакана, в головной части которого выполнен жесткий упор, повторяющий форму поверхности корпуса телевизионной камеры, выполненного в форме шара, закрепленного в держателе с выступом наружу, внутри которого размещены объектив и ПЗС-матрица, расположенная в фокальной плоскости объектива, отличающаяся тем, что введены удерживающий фланец, размещенный на держателе и элемент, фиксирующий положение корпуса телевизионной камеры, размещенный между внутренней стороной держателя и корпусом телевизионной камеры, при этом держатель, в головной части которого выполнена выемка, соединен с фланцем посредством удерживающего фланца и прижимных винтов.

Известна видеокамера (патент RU 2336656), которая содержит модуль датчика изображения, соответствующий объектив, в частности широкоугольный объектив, и держатель. Объектив имеет резьбу, которой он посредством держателя и упругой промежуточной детали свинчен с ответной резьбой модуля датчика изображения таким образом, что резьбовое соединение выполняет двойную функцию, а именно функцию крепления модуля датчика изображения на держателе посредством объектива и функцию фокусировки за счет изменения оптического расстояния между модулем датчика изображения и объективом. Объектив своей резьбой может проходить через сквозные отверстия держателя и упругой промежуточной детали, расположенной между объективом и держателем и выполненной в виде упругого кольца. С использованием поворотного элемента можно настраивать различные направления обзора модуля датчика изображения.

Представленные технические решения характеризуются тем, что не предназначены для эксплуатации на объектах, на которых требуется проводить видеоконтроль достаточно обширных территорий с детализацией отдельных фрагментов сцены из-за ограниченной зоны обзора, обеспечиваемой видеокамерами.

Известна система панорамного изображения (US2020195845 (A1)), включающая в себя центральную камеру, первую и вторую боковые камеры, расположенные для получения изображения сцены в разных направлениях относительно оси вращения, причем первая и вторая боковые камеры расположены на противоположных боковых сторонах центральной камеры.

Центральная камера, первая боковая камера и вторая боковая камера имеют систему визуализации, включающую в себя объектив и датчик изображения; механизм наклона, позволяющий подвижной системе панорамного изображения наклоняться вокруг оси вращения, и блок обработки изображений, включающий функцию сшивания, сконфигурированную для сшивания изображений, снятых центральной камерой, первой боковой камерой и второй боковой камерой, для формирования панорамного изображения сцены, причем панорамное изображение имеет виртуальный горизонт для того, чтобы при наклоне подвижной системы панорамного изображения поддерживать положение виртуального горизонта панорамного изображения в сцене.

При этом системы визуализации первой и второй боковых камер имеют большее поле зрения в направлении, перпендикулярном оси вращения, чем система визуализации центральной камеры.

Недостатком данной системы является то, что при осуществлении мониторинга обширной территории не предоставляется возможность получения детального изображения интересующего фрагмента сцены в хорошем качестве.

Наиболее близким аналогом является продукция немецкой компании Dallmeyer, поставляющая на мировой рынок мультифокальную матричную видеокамеру Panomera по патенту DE102011103378 (B3).

Данное устройство наблюдения включает в себя несколько камер, каждая из которых имеет множество датчиков изображений, которые выполнены таким образом, что они всегда сканируют различные области зоны наблюдения с варьируемой дальностью объекта в пространстве объекта и создают данные изображений последовательности изображений в видеопотоке.

При этом, каждая камера имеет блок управления, который выполнен таким образом, что он выполняет передачу данных изображений с датчиков изображений в сеть, устройство управления, которое выполнено таким образом, что оно создает видеопоток, составленный из данных изображений с датчиков изображений, и/или, по меньшей мере, его отдельную область для представления на устройстве отображения или, по меньшей мере, в одном его окне варьируемого размера, и блок ввода, который выполнен таким образом, что с его помощью может устанавливаться предусмотренная для отображения область зоны наблюдения, а также при необходимости положение и размер указанного, по меньшей мере, одного окна.

Каждый датчик изображения оснащен оптикой таким образом, что в каждый момент времени и независимо от дальности объекта обеспечивается гомогенизированное по всему полю зрения датчиков изображений разрешение.

Недостатком устройства видеонаблюдения Panomera является то, что сенсорные модули выполнены зафиксированными без возможности изменения угла наклона, что не позволяет направлять каждый сенсорный модуль на более удобную позицию, тем самым ограничивая угол обзора и возможности видеокамеры в части покрытия интересующей области территории и получения качественного изображения.

Заявленное техническое решение является развитием конструкции оптической системы видеонаблюдения по патенту РФ № 208789, разработанной одним автором.

Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание оптической системы, позволяющей охватывать значительную площадь покрытия сцены, предотвращая возникновение «мертвых зон», тем самым расширяя угол обзора, при достижении высокого качества изображения посредством того, что сенсорные модули из состава системы, включающие объектив и светочувствительную матрицу, устанавливаются на держатель, позволяющий регулировать угол наклона по вертикальной и горизонтальной осям, и содержащий подвижный элемент, выполненный с возможностью вращения сенсорного модуля вокруг горизонтальной оси.

Техническим результатом является создание универсальной гибкой системой видеонаблюдения, обеспечивающей качественные панорамные изображения, за счет возможности изменения фокусного расстояния (достигается вращением сенсорного модуля для определения положения прямоугольной светочувствительной матрицы, что даёт для каждого модуля менять формат изображения, с 16:9 на 9:16, либо с 4:3 на 3:4), за счет возможности изменения (расширения) угла обзора каждого сенсорного модуля, за счет возможности смены объектива и светочувствительной матрицы (достигается благодаря использованию съемной оправы, на которой устанавливается сенсорный модуль), за счет склейки изображений с каждого сенсорного модуля в единое панорамное изображение (благодаря возможности изменения угла обзора каждого сенсорного модуля).

Предложенная система является вариофокальной полиоптической системой видеонаблюдения, обеспечивая изменение фокусного расстояния для съемки объектов, в случае их расположения на различных расстояниях от камеры.

Технический результат достигается за счет оптической системы видеонаблюдения, представляющей собой опорную платформу с сенсорными модулями, каждый из которых включает объектив и светочувствительную матрицу. При этом объектив со светочувствительной матрицей устанавливается на съемной оправе, которая фиксируется к опорной платформе при этом, каждая оправа взаимодействует с, по меньшей мере тремя микрометрическими винтами, каждый из которых приводится во вращение микродвигателем.

В предпочтительном варианте воплощения изобретения оправа включает вращающийся вокруг горизонтальной оси элемент, к которому прикрепляется объектив со светочувствительной матрицей.

В другом предпочтительном варианте оправа фиксируется к опорной платформе при помощи пружин растяжения.

В еще одном варианте воплощения изобретения в оправе добавлена канавка для фиксации вращающегося элемента при помощи установочных винтов с подпружиненным шариком.

При этом микродвигатели подключаются по шлейфам к контролеру, который обеспечивает их питание, получение обратной связи и их управление - подачи команд на количество оборотов и выбор положения вала.

Размещение каждого сенсорного модуля на вращающемся элементе, который установлен на опоре, которая может изменять угол по осям x и у при помощи микрометрических винтов, позволяет регулировать угол наклона каждого сенсорного модуля, тем самым изменяя его направление, обеспечивая одновременное покрытие различных зон интереса, что приводит к расширению площади контролируемой зоны, и как следствие, обеспечивается расширение угла обзора камеры видеонаблюдения.

Исполнение заявленной оптической системы видеонаблюдения в альтернативном варианте с размещением на подвижной опорной платформе подвижной оправы, вращающейся вокруг горизонтальной оси, для крепления сенсорного модуля, позволяет осуществлять разворот светочувствительной матрицы в зависимости от геометрии зоны и горизонта, что также приводит к расширению угла обзора камер видеонаблюдения.

В предпочтительном варианте исполнения предлагаемого устройства, объектив из состава сенсорного модуля выполняется вариофокальным. Это обеспечивает изменение фокусного расстояния для съемки объектов в случае их расположения на различных расстояниях от камеры, что дает возможность получать как общую пaноpаму, тaк и дeтaльное увeличeниe нужного фpaгмeнтa общeй кapтины при достижении высокого качества изображения, не уменьшая детализацию при масштабировании.

Таким образом, применение вариофокального объектива в составе сенсорного модуля также позволяет увеличить угол обзора камеры видеонаблюдения.

Далее заявленная оптическая система видеонаблюдения будет описана по ссылкам на чертежи:

Фиг. 1 - Вариант исполнения предлагаемой оптической системы видеонаблюдения в виде восьмимодульной камеры.

Фиг. 2 - Вид сзади оптической системы.

Фиг. 3 - Вид сенсорного модуля на оправе.

Фиг. 4 - Вид сбоку сенсорного модуля.

Фиг. 5 - Изображение оправы с вращающимся элементом и фиксирующим элементом в виде подпружиненного шарика.

На которых изображены:

1 - Сенсорная матрица (светочувствительный элемент)

2 - Базовая пластина

3 - Оправа

4 - Микродвигатель (привод)

5 - Вращающийся элемент

6 - Пружина растяжения

7 - Микрометрический винт.

Оптическая система видеонаблюдения, в предпочтительном варианте своего исполнения (фиг. 1), содержит в своем составе несколько сенсорных модулей, каждый из которых включает в себя объектив (1) и светочувствительную матрицу.

В приоритетном варианте объектив является вариофокальным, например, Theia TL410 R6 американской фирмы Theia Technologies.

Оптическая система видеонаблюдения состоит из базовой пластины, на которой установлено восемь оправ. Каждая оправа имеет вращающийся элемент для крепления сенсорного модуля и его ротации.

Оправы связаны с базовой пластиной с помощью пружин растяжения.

На обратной стороне базовой пластины устанавливаются три микрометрических винта с микродвигателями на каждую оправу. Микрометрический винт с микродвигателем обеспечивают линейные перемещения подвижной опорной пластины, на которой установлены сенсорные модули, а также юстировку по углу.

В оправе добавлена канавка для фиксации вращающегося элемента при помощи двух установочных винтов с подпружиненным шариком, что позволяет не только фиксировать, но и вращать элемент вместе с объективом. В базовой пластине края могут быть изогнуты, что позволяет крайним модулям иметь больше угол отклонения.

Оптическая система видеонаблюдения состоит из базовой пластины (2), на которой установлено восемь съемных оправ (3). Каждая оправа имеет вращающийся элемент (5) для крепления сенсорной матрицы (1) и объектив.

Оправы (3) связаны с базовой пластиной через оправку с помощью 4-ех пружин растяжения (6).

Оправа, вращающийся элемент, сенсорная матрица, объектив и светочувствительный элемент (КМО, ПЗС сенсорная матрица) представляют из себя сенсорный модуль.

Количество таких модулей может меняться в зависимости от ширины наблюдаемой сцены и выбора соответствующей пластины.

Базовая пластина может быть, как плоской, так и изогнутой. Применение изогнутой, параболической формы, позволяет обеспечить из нескольких оптических приборов единую собирательную групповую ось панорамного изображения.

В устройстве могут быть применены оптические приборы - объективы как с фиксированным фокусным расстоянием, так и вариофокальные, с изменяемым фокусным расстоянием, изменение которого может быть, как с помощью ручной манипуляции и, так и с помощью приводов микродвигателей, идущих в комплекте с применяемым объективом.

Оправа по отношению к базовой пластине в начальном положении параллельна, а оптические приборы и их оптическая ось перпендикулярны.

Элемент (5) представляет из себя цилиндр, который вращается внутри оправы для определения положения прямоугольной светочувствительной матрицы, что даёт для каждого модуля менять формат изображения, с 16:9 на 9:16, либо с 4:3 на 3:4.

Вращение может производится как вручную, так и с помощью приводного электромотора.

Элемент (5) имеет канавку, для фиксации оправы. Оправа фиксируется за счет двух установочных винтов, на концах которых установлен подпружиненный шарик. Шарик винта попадает в канавку на элементе 5, таким образом фиксируя переходник. Такой способ крепления позволяет не только фиксировать оправу, но и вращать ее вместе с объективом.

Уровень вкручивание винта с шариком определяет скорость и прикладываемое усилие для вращения переходника в оправе.

Оправа 3 изготавливается съемной для каждой пары объективов и сенсоров индивидуально, что позволяет минимизировать затраты и применять различные объективы, с разным типом резьбы, выбирать различные фокусные расстояния BFL, разные типы матриц, и обеспечить гибкий и быстрый подход, который не требует изменения всей конструкции устройства.

На обратной стороне базовой пластины устанавливаются три микрометрических винта (7) с микродвигателем на каждую оправу.

Микрометрический винт с микродвигателем обеспечивают линейные перемещения подвижной оправы - опорной пластины, на которой установлены модули. Микрометрический винт представляет из себя полый цилиндр, внутри которого есть дополнительная втулка-переходник, которая одевается/насаживается на вал двигателя с лыской. В момент вращения винт телескопически вытягивается из базовой пластины в направлении подпружиненной оправы и осуществляет ее отклонение, и отклонение оптической оси объектива.

На базовой пластине для каждого модуля есть три резьбовых отверстия м6, куда вкручивается три микрометрических винта на конце которых лунка, в эти лунки укладываются шарики диаметром 4 мм, на оправе имеются ответные 3 места под шарики - лунка, плоскость, паз, что обеспечивает принцип точного позиционирования и юстировки модулей полиоптической системы. Далее пружинами зажимаются эти три шарика между оправой и базовой пластиной. При помощи 4х пружин фиксируется взаимное расположение базовой пластины и оправы, и шариков между ними. В случае вращения одного из 3-ех винтов, тем самым отодвигается соответствующая сторона оправы и между плоскостями оправы и базовой пластины возникает соответствующий пространственный угол.

За счёт применения пружин, притягивающих оправу к базовой пластине и контрпружинноговинта с микрометрической резьбой, который за счёт поступательного движения противодействует пружине, и тем самым обеспечивает изменения угла (юстирование) отклонения оправы по отношению к базовой пластине, а, следовательно, изменяет положения всего модуля и оси оптической системы.

Вращение винтов может быть как в ручную так и с помощью привода.

Применение трёх таких микрометрических винтов, позволяет выставлять направление оси оптической системы по горизонтали и вертикали, на необходимый угол наблюдения каждого модуля - юстировку модуля.

В устройстве могут быть применены различные двигатели. Тип шаговых микродвигателей и модель не рассматривается в данном изобретении, а используется как средства преобразования электрической энергии в механическую, позволяющих осуществить удаленную (без присутствия человека непосредственно рядом) юстировку модулей, не прибегая к использованию ручного ключа для вращения винта.

Двигатели подключаются по шлейфам к контролеру с микропрограммой который обеспечивает питание двигателей, получение обратной связи, и их шаговое управление, подачи команд на количество оборотов и выбор положения вала.

Таким образом контроллер, позволяет управлять не только положением модулей, но и фокусным расстоянием объективов модулей, что позволяет изменить угол обзора как отдельного модуля, так и всей группы.

Контроллер обеспечивает управление двигателями, в разных режимах:

• по отдельности каждым двигателем оператором

• группой двигателей по заданному алгоритму автоматически

• группе двигателей задать заранее подобранную предустановку (выставить соответсвующий шаг)

• группой двигателей автоматически, по обратной связи, которая может быть получена от:

• геокарт, выбрав оператором месторасположение устройства на карте и направление оси объективов в какую заданную точку, куда необходимо направить модули

• геокарт, задав оператором соответсвующий угол обзора на карте

• геокарт, задав оператором необходимую плотность пикселей или размер минимально различимой детали (например 125 пикселей на метр или 8 мм на пиксель, что обеспечивает распознавание текста и цифр на расстоянии)

• фотографии или другой видеокамеры за счёт поиска идентичных элементов наблюдаемой сцены

• установочных параметров, выставляемых одному из модулей, например один модуль обеспечивает угол обзора 90 градусов, а другие модули равномерно заполняют его обзор участками с более узкими углами обзора, но с большей детализацией.

Основная задача устройства, получение более детального изображения или с большей глубиной резкости, при том же угле обзора, если сравнивать с видеокамерой с одним объективом и сенсорной матрицей.

Применение контроллера удалённого управления каждого привода, исключающий необходимость вскрытия корпуса для переюстировки модели.

Возможность автоматического выставления угла для каждого модуля, в зависимости:

• от фокусного расстояния объектива;

• необходимого общего угла всей группы объектива;

• необходимого увеличения пространственного наблюдения (пиксель на метр).

Возможность объединения (сшивание, склеивания) изображения в панораму разного формата, с применением различных алгоритмов:

• детальное изображение строится на основе программного соотнесения одному пикселю модуля общего изображения группе пикселей детальных модулей;

• поиск общих пикселей между соседними детальными изображениями;

• выравнивание изображения либо без выравнивания, с применением маскировании границ либо без, с применением автоконтрастности и автояркости либо без применения.

Автоматический подбор угла посредствам интерактивной геокартой, с указанием на ней места установки камеры, расстояния до цели, задачи по детализации и требуемой ширины обзора.

Возможность объединения (сшивание, склеивания) изображения в панораму разного формата, с применением различных алгоритмов:

• детальное изображение строится на основе общего;

• одному пикселю общего изображения соответствует группа пикселей детальных;

• поиск общих пикселей между соседними детальными изображениями;

• выравнивание изображения либо без выравнивания, с применением маскировании границ либо без, с применением автоконтрастности и автояркости либо без применения.

Возможность использовать различные сенсоры разных производителей за счёт отдельного элемента - съемной опоры.

Возможность применения различных линз с разными типами креплениями, что обеспечивает гибкость системы и ее адаптируемость.

При этом максимальный угол поворота подвижной оправы с размещенными на ней объективом и светочувствительной матрицей составляет 92 °, что обусловлено ограничениями по длине провода сенсорного модуля и их расстоянием относительно друг друга.

Предлагаемая камера видеонаблюдения функционирует следующим образом.

Блок камер видеонаблюдения устанавливается в охраняемой зоне, при этом монтаж осуществляется в выбранном месте в зависимости от специфики объекта. Исходным положением объектива является положение, когда продольная ось объектива перпендикулярна поверхности опорной платформы. Светочувствительная матрица, в приоритетном варианте, широкоформатная, разворачивается в зависимости от геометрии наблюдаемой зоны и горизонта при помощи подвижной оправы вокруг горизонтальной оси, при этом максимальный угол разворота составляет 92° из-за накладываемых ограничений на длину провода сенсорных модулей и расстояние модулей относительно друг друга при их размещении на опорной платформе.

Посредством винтов осуществляется настройка угла направления каждого сенсорного модуля по горизонтальной и вертикальным осям.

Указанный механизм направляет каждый сенсорный модуль на свою зону ответственности сцены, которая выбирается оператором или может быть спланирована заранее, и осуществляется программным образом, обеспечивая требуемый общий угол обзора для оптической системы.

Важно отметить, что угол наклона и поворота каждого сенсорного модуля, а также фокусное расстояние объектива вычисляются по заданному общему углу обзора посредством контроллера, который, в свою очередь, управляет приводами, приводящими в движение элементы каждого сенсорного модуля.

Изобретение относится к оптическим системам видеонаблюдения, представленным в виде многосенсорных устройств видеонаблюдения с возможностью регулирования угла наклона и поворота каждого сенсорного модуля в составе устройства. Заявленная оптическая система видеонаблюдения представляет собой опорную платформу с сенсорными модулями, каждый из которых включает объектив и светочувствительную матрицу. При этом объектив со светочувствительной матрицей устанавливается на съемной оправе, которая фиксируется к опорной платформе при этом, каждая оправа взаимодействует с, по меньшей мере тремя микрометрическими винтами, каждый из которых приводится во вращение микродвигателем. Технический результат - создание универсальной гибкой системой видеонаблюдения, обеспечивающей качественные панорамные изображения. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Оптическая система видеонаблюдения, представляющая собой опорную платформу с сенсорными модулями, каждый из которых включает объектив и светочувствительную матрицу, отличающаяся тем, что объектив со светочувствительной матрицей устанавливается на съемной оправе, которая подвешивается к опорной платформе при этом, каждая оправа взаимодействует с, по меньшей мере тремя микрометрическими винтами, каждый из которых приводится во вращение микродвигателем.

2. Оптическая система видеонаблюдения по п. 1, отличающаяся тем, что оправа включает вращающийся вокруг горизонтальной оси элемент, к которому фиксируется объектив со светочувствительной матрицей.

3. Оптическая система видеонаблюдения по п. 1, отличающаяся тем, что оправа фиксируется к опорной платформе при помощи пружин растяжения.

4. Оптическая система видеонаблюдения по п. 1, отличающаяся тем, что в оправе добавлена канавка для фиксации вращающегося элемента при помощи двух установочных винтов с подпружиненным шариком.

5. Оптическая система видеонаблюдения по п. 1, отличающаяся тем, что микродвигатели подключаются по шлейфам к контролеру, который обеспечивает их питание, получение обратной связи и их управление - подачи команд на количество оборотов и выбор положения вала.