Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ С РЕАЛИЗАЦИЕЙ ОБМЕНА ПАРАМЕТРОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Изобретение имеет отношение к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной системой при помощи монохромной телевизионной камеры кругового обзора в области, близкой к полусфере, т.е. 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 телевизионная камера состоит из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и датчика цифрового телевизионного сигнала, который содержит в своем составе последовательно расположенные и связанные твердотельный фотоприемник и блок фотоприемника, причем телевизионная камера формирует «кольцевой» растр изображения, ее фотоприемник выполнен по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и имеет кристалл мишени в виде кругового кольца, а блок фотоприемника обеспечивает развертку аналогового видеосигнала и формирование на выходе телевизионной камеры цифрового телевизионного сигнала, при этом фотоприемник содержит на общем кристалле фотоприемную область, «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся преобразователем «заряд - напряжение (БПЗН), причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементами, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, а число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области различно и увеличивается по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, равной числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига, 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 преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:

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

Для прототипа предполагается, что БПЗН фотоприемника организован по типу «плавающая диффузионная область» [2], а поэтому имеет управляющий вход, обеспечивающий поэлементный сброс напряжения видеосигнала в фотоприемнике; блок фотоприемника содержит блок «кольцевой» развертки видеосигнала, а также соединенные последовательно сигнальный процессор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки - к управляющему входу БПЗН фотоприемника, четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, пятый выход блока «кольцевой» развертки - к тактовому входу АЦП.

Недостаток прототипа устройства компьютерной системы панорамного наблюдения - отсутствие реализации эффективного обмена параметров изображения.

Задачей изобретения является реализация в «кольцевом» растре телевизионной камеры обмена разрешающей способности изображения на его чувствительность и, наоборот, без внесения шумовых потерь в видеосигнал.

Поставленная задача в заявляемой компьютерной системе панорамного телевизионного наблюдения решается тем, что в устройство прототипа [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров пользователей, при этом телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр изображения, состоит из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и фотоприемника, а также блока «кольцевой» развертки видеосигнала и соединенных последовательно сигнального процессора и АЦП, причем фотоприемник, выполненный по технологии ПЗС, имеет кристалл мишени в виде кругового кольца и содержит на общем кристалле фотоприемную область, «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся БПЗН с организацией «плавающая диффузионная область», при этом на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементами, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, а число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области различно и увеличивается по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, равной числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига, причем информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки - к управляющему входу БПЗН фотоприемника, четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, пятый выход блока «кольцевой» развертки - к тактовому входу АЦП, 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 преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), введен блок регулировки апертуры (БРА), информационный вход которого подключен к шестому выходу блока «кольцевой» развертки, синхронизирующий вход БРА - к седьмому выходу блока «кольцевой» развертки, а выход БРА - к управляющему входу блока «кольцевой» развертки, при этом первый управляющий вход БРА является входом «Пуск» телевизионной камеры, второй управляющий вход БРА - входом «Стоп» телевизионной камеры, а в качестве сервера используется компьютер оператора системы, в котором формируются и с которого подаются команды внешнего управления телевизионной камерой «Пуск» и «Стоп».

Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемое устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения отличается тем, что при помощи вводимого в состав телевизионной камеры БРА, который управляется оператором компьютера-сервера, может быть осуществлено изменение площади апертуры фотоприемника в его «кольцевом» растре без внесения шумовых потерь. Двукратное увеличение площади апертуры обеспечивает двукратное возрастание чувствительности изображения, которое сопровождается двукратным снижением его четкости по горизонтали, четырехкратное увеличение площади апертуры - четырехкратному росту чувствительности изображения с одновременным снижением четкости тоже в четыре раза и так далее. В результате чего реализуется обмен чувствительности изображения на его разрешающую способность, который может оказаться полезным оператору при обнаружении и распознавании объектов.

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

Обмен параметров изображения выполняется в «кольцевом» растре изображения. Поэтому данное техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения; на фиг. 2 приведена схемотехническая организации фотоприемника телевизионной камеры; на фиг. 3 показан фрагмент этого фотоприемника, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 4, по данным [2, с. 19], представлена структурная схема БПЗН с организацией «плавающая диффузионная область»; на фиг. 5 приведена функциональная схема БРА, выполняющая двукратный обмен чувствительности на разрешение; на фиг. 6 - эпюры, поясняющие реализацию этого обмена.

Заявляемая компьютерная система о панорамного телевизионного наблюдения, см. фиг. 1, содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и компьютер 2 оператора в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров в позиции 3, при этом на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, выполняющая программным путем запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера и преобразование «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), а сама телевизионная камера 1 содержит последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив 1-1 и фотоприемник 1-2; блок 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала, соединенные последовательно сигнальный процессор 1-4 и АЦП 1-5, а также БРА 1-6, причем фотоприемник 1-2 имеет форму кругового кольца (см. фиг. 2…3), у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области 1-2-1 расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига 1-2-2, оканчивающемуся БПЗН 1-2-3, а число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области 1-2-1 различно и увеличивается по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, равной числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-2, при этом информационный вход сигнального процессора 1-4 подключен к выходу БПЗН фотоприемника 1-2, первый выход блока 1-3 - к управляющим входам фотоприемной области 1-2-1 фотоприемника, второй выход блока 1-3 - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига 1-2-2 фотоприемника, третий выход блока 1-3 - к управляющему входу БПЗН 1-2-3 фотоприемника, четвертый выход блока 1-3 - к входу синхронизации сигнального процессора 1-4, пятый выход блока 1-3 - к тактовому входу АЦП 1-5, шестой выход блока 1-3 - к информационному входу БРА 1-6, седьмой выход блока 1-3 - к синхронизирующему входу БРА 1-6, выход которого подключен к управляющему входу блока 1-3, причем команды «Пуск» и «Стоп», формируемые в компьютере-сервере 2, подаются на одноименные внешние входы телевизионной камеры 1 и соответственно на первый и второй управляющие входы БРА 1-6.

Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры, как и в прототипе, предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора (кольцевого изображения). В качестве технического решения для панорамного объектива 1-1, совпадающего с аналогичным решением для прототипа, может быть предложен панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами [3].

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 1-2, как и в прототипе, в пользу кругового кольца.

Блок 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала, сигнальный процессор 1-4 и АЦП 1-5 выполнены с использованием комплекта специализированных микросхем высокого уровня интеграции и ничем не отличаются от блоков такого же наименования прототипа.

БРА 1-6 предназначен для управления площадью считывающей апертуры в фотоприемнике 1-2 при поэлементном съеме напряжения видеосигнала в БПЗН 1-2-3.

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

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

Эта процедура осуществляется при помощи импульсов сброса, подаваемых на соответствующую шину управления БПЗН 1-2-3.

На фиг. 5 показана функциональная схема БРА 1-6, которая реализует частный случай регулировки апертуры, а именно: изменение ее площади в два раза. Данная схема содержит RS-триггер в позиции 7, D-триггер в позиции 8, первый элемент «И» в позиции 9, второй элемент «И» в позиции 10 и элемент «ИЛИ» в позиции 11.

На информационный вход БРА 1-6 подаются в логических уровнях импульсы поэлементного сброса с периодом Т_э (см. фиг. 6а), транслируемые с шестого выхода блока 1-3 «кольцевой» развертки, а на синхронизирующий вход - кадровые синхроимпульсы (КСИ) с его седьмого выхода.

С внешнего входа телевизионной камеры на управляющие входы RS-триггера 7 поступают компьютерные команды, характеристики которых представлены в табл. 1.

Отметим, что эти команды внешнего управления телевизионной камерой могут быть успешно сформированы в составе платы видео компьютера-сервера 2.

Продолжим рассмотрение функциональной схемы БРА 1-6, представленной на фиг. 5. На выходе D-триггера 8 формируется меандр с периодом 2Т_э (см. фиг. 6б), а на выходе элемента «ИЛИ» 11 - импульсы сброса, следующие с таким же периодом 2Т_э (см. фиг. 6в), которые обеспечивают суммирование в одном пикселе двух соседних информационных зарядов.

С целью дальнейшего повышения чувствительности телевизионной камеры кратность суммирования зарядовых пакетов в одном элементе, выполняемая в БРА 1-6, может быть увеличена, например, до величины 64 путем необходимого усложнения ее схемы, но без изменений для линии связи внешнего управления и характеристик компьютерных команд.

Очевидно, что БРА 1-6 может быть выполнен в составе блока 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала.

Важно отметить, что суммирование зарядов не может быть дополнительным источников шумов для видеосигнала на выходе телевизионной камеры.

Поэтому ограничение кратности суммирования апертуры определяет лишь приемлемость оператору предлагаемой четкости изображения.

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

Как и в прототипе [1], предполагается, что телевизионная камера 1 установлена в фиксированное положение, например, при помощи фотоштатива (на фиг. 1 он не показан).

В исходном состоянии на входах «Пуск» и «Стоп» телевизионной камеры 1 управляющие сигналы с компьютера 2 отсутствуют, т.е. на этих входах присутствуют низкие логические уровни.

Телевизионная камера 1, как и в прототипе, работает в режиме с одноэлементной апертурой видеосигнала. Фотоприемник 1-2 телевизионной камеры (см. фиг. 2…3) реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-2-1 с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-2 и формированием на выходе БПЗН 1-2-3 напряжения видеосигнала в аналоговой форме.

При этом в интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности панорамного сюжета в светочувствительных пикселах фотоприемной области 1-2-1.

В течение кратковременного промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки открывается фотозатвор, и заряды всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, переносятся (за один шаг поворота) в экранированные от света пикселы, расположенные на той же области 1-2-1.

Затем фотозатвор закрывается и в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода строчной развертки новыми зарядами «кольцевой» регистр 1-2-2.

Аналоговый видеосигнал фотоприемника с одноэлементной апертурой, как и в прототипе, преобразуется далее при помощи сигнального процессора 1-4 и АЦП 1-5 в цифровой телевизионный сигнал (ЦТС) «кольцевого» кадра на выходе телевизионной камеры. Затем ЦТС по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на компьютер-сервер 2, где выполняется запись видеоинформации в его оперативную память на кадр.

Предположим, что, как и в прототипе, горизонтальный угол поля зрения (γ_г) предъявляемого оператору изображения должен составлять 60°. Тогда одна шестая часть каждой «кольцевой» строки из «кольцевого» кадра записывается в сервере 2 соответственно в один из шести массивов оперативной памяти на кадр.

Как и в прототипе, в сервере 2 при помощи элемента БПКП, реализующего возложенные на него функции программным путем, осуществляется операция считывания видеосигнала с одноэлементной апертурой, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» компьютера-сервера 2.

В результате цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в n «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности операторам персональных компьютеров 3 локальной вычислительной сети.

В нашем примере эта последовательность содержит 6 различных изображений, а оператор каждого персонального ноутбука 3 может осуществить селекцию предлагаемого сервером 2 изображения и его вывод на экран дисплея.

Допустим, что для обнаружения или распознавания объекта, интересующего оператора компьютера 2, диагностируется нехватка чувствительности телевизионной камеры 2.

Рассмотрим частный случай ситуации, когда рост чувствительности в два раза будет являться достаточным.

Тогда оператор компьютера 2 посылает по шине «Пуск» сигнал управления в виде кратковременной логической «1».

Когда высокий уровень этого сигнала совпадает с нарастающим фронтом КСИ на синхронизирующем входе БРА 1-6 (см. фиг. 5), RS-триггер 7 срабатывает, т.е. на его инверсном выходе устанавливается уровень логического «0». Поэтому на выходе элемента «И» 10 устанавливается тоже низкий логический уровень.

С другой стороны, для подаваемых на информационный вход БРА 1-6 импульсов поэлементного сброса (см. фиг. 6а) в D-триггере 8 осуществляется деление частоты на два и формирование меандра с периодом 2Т_э.

Поэтому формируемые на выходе элемента «И» 9 логические импульсы сброса, следующие с периодом 2Т_э (см. фиг. 6в), проходят без изменений элемент «ИЛИ» 11 и поступают на выход БРА 1-6.

В результате телевизионная камера 1 переходит в режим формирования видеосигнала с двукратной апертурой, что гарантирует увеличение ее чувствительности в два раза.

«Кольцевой» кадр видеосигнала с двукратной апертурой преобразуется далее в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности на компьютеры 3 операторам локальной вычислительной сети точно так же, как и в режиме работы телевизионной камеры с одноэлементной апертурой.

Для возврата телевизионной камеры в режим с одноэлементной апертурой необходимо подать по шине «Стоп» сигнал управления в виде кратковременной логической «1».

Тогда RS-триггер 7 будет возвращен в исходное состояние, а логические импульсы сброса на выходе БРА 1-6 будут следовать с периодом Т_э.

Отметим, что алгоритм управления апертурой, величину которой необходимо кратно увеличить в 4, 8, 16, 32 и 64 раза, сохраняется неизменным, но реализуется в БРА 1-6, выполненном (по сравнению с фиг. 5) по другой и, очевидно, более усложненной функциональной схеме.

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

Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

Источники информации

1. Патент РФ №2545519. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения и организация фотоприемника для его реализации. / В.М. Смелков // БИ - 2015. - №10.

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

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