Результат интеллектуальной деятельности: ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ЕЁ "КОЛЬЦЕВОЙ" ФОТОПРИЁМНИК ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПАНОРАМНОГО НАБЛЮДЕНИЯ

Изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется телевизионной системой при помощи 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 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, а ее фотоприемник выполнен по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и имеет кристалл мишени в виде кругового кольца, реализуя «кольцевую» мишень сенсора и встроенную «кольцевую» память на кадр, а блок фотоприемника обеспечивает развертку аналогового видеосигнала и формирование на выходе телевизионной камеры цифрового телевизионного сигнала, реализуя «кольцевой» растр изображения, при этом «кольцевой» фотоприемник содержит на общем кристалле фотоприемную область, секцию памяти, «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся преобразователем «заряд - напряжение» (БПЗН), причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементами, а также линейки экранированных от света элементов секции памяти расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области и в каждой «кольцевой» строке секции памяти фотоприемника равно числу элементов в его «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 k, 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 кристалл «кольцевого» фотоприемника выполнен из кремния. БПЗН «кольцевого» фотоприемника организован по типу «плавающая диффузионная область» [2], а поэтому имеет управляющий вход, обеспечивающий поэлементный сброс напряжения формируемого видеосигнала. Блок фотоприемника содержит блок «кольцевой» развертки видеосигнала, а также соединенные последовательно сигнальный процессор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), при этом информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области «кольцевого» фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам секции памяти «кольцевого» фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника, четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющему входу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, пятый выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, шестой выход блока «кольцевой» развертки - к тактовому входу АЦП.

«Кольцевой» фотоприемник прототипа выполнен соответствии с организацией «строчно-кадровый перенос» и по аналогии с прямоугольными матрицами ПЗС той же концепции [3, с. 135] потенциально обладает наилучшим показателем в части отношения сигнал/шум. Поэтому телевизионная камера с таким фотоприемником должна быть отнесена к категории камер повышенной чувствительности.

Недостаток телевизионной камеры прототипа - переменная величина разрешающей способности изображения в пределах кадра, изменяющаяся в сторону уменьшения по направлению к внешней периферии «кольцевого» фотоприемника из-за увеличивающейся величины зазора между его светочувствительными элементами, которые имеют одинаковый показатель по геометрической площади.

Задачей изобретения является выравнивание разрешающей способности изображения телевизионной камеры путем реализации в «кольцевом» фотоприемнике различной по площади светочувствительных элементов и управления зарядовым считыванием в видеосигнале сенсора с одинаковой величиной площади апертуры.

Поставленная задача в заявляемой телевизионной камере для компьютерной системы панорамного наблюдения решается тем, что в камеру прототипа [1], формирующую «кольцевой» растр изображения, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и «кольцевого» фотоприемника, а также блока «кольцевой» развертки видеосигнала и соединенных последовательно сигнального процессора и АЦП, причем информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области «кольцевого» фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам секции памяти «кольцевого» фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника, четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющему входу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, пятый выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, шестой выход блока «кольцевой» развертки - к тактовому входу АЦП, введен блок формирования апертуры (БФА), информационный вход которого подключен к шестому выходу блока «кольцевой» развертки, синхронизирующий вход БФА - к седьмому выходу блока «кольцевой» развертки, а выход БФА - к управляющему входу блока «кольцевой» развертки, при этом период управляющих импульсов T_r, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением

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

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

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

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

Поставленная задача в заявляемом «кольцевом» фотоприемнике для заявляемой телевизионной камеры решается тем, что «кольцевой» фотоприемник прототипа, выполненный по технологии ПЗС, который имеет кристалл мишени в виде кругового кольца и содержит на общем кремниевом кристалле фотоприемную область, секцию памяти и «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся БПЗН с организацией «плавающая диффузия», при этом на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементами, а также линейки экранированных от света элементов секции памяти расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области и в каждой «кольцевой» строке секции памяти равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига, вносятся следующие конструкторско-технологические изменения, а именно на фотоприемной области площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов от строки к строке различны, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента секции памяти, при реализации в выходном видеосигнале сенсора одинаковой площади считывающей апертуры.

Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемое устройство телевизионной камеры для компьютерной системы панорамного наблюдения отличается тем, что в ее «кольцевом» фотоприемнике светочувствительные элементы имеют геометрическую площадь, которая монотонно увеличивается по радиали в направлении к внешней периферии. При этом при помощи вводимого в состав телевизионной камеры БФА реализуется одинаковый показатель площади считывающей апертуры сенсора, что обеспечивает одинаковую чувствительность сенсора по всей его мишени и без внесения шумовых потерь для видеосигнала, а также осуществляется выравнивание параметра разрешающей способности изображения в пределах всего «кольцевого» телевизионного кадра.

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

Выравнивание разрешающей способности изображения выполняется в «кольцевом» растре изображения. Поэтому данное техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемой телевизионной камеры в составе компьютерной системы панорамного наблюдения; на фиг. 2 приведена схемотехническая организации заявляемого «кольцевого» 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 изображена эпюра выходного сигнала БФА, который выполняет управление апертурой заявляемого «кольцевого» сенсора; на фиг. 6, по данным [4], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива.

Заявляемая телевизионная камера 1 (см. фиг. 1) содержит последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив 1-1 и «кольцевой» фотоприемник 1-2; блок 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала, соединенные последовательно сигнальный процессор 1-4 и АЦП 1-5, а также БФА 1-6, причем заявляемый «кольцевой» фотоприемник 1-2 имеет форму кругового кольца из кремния, (см. фиг. 2 и 3), у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области 1-2-1, а также линейки экранированных от света элементов секции памяти 1-2-2 расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига 1-2-3, оканчивающемуся БПЗН 1-2-4, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области 1-2-1 и в каждой «кольцевой» строке секции памяти 1-2-2 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-3, причем площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов фотоприемной области 1-2-1 от строки к строке различны, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента секции памяти 1-2-2, при этом информационный вход сигнального процессора 1-4 подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника 1-2, первый выход блока 1-3 - к управляющим входам фотоприемной области 1-2-1 «кольцевого» фотоприемника, второй выход блока 1-3 - к управляющим входам секции памяти 1-2-2, третий выход блока 1-3 - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига 1-2-3 «кольцевого» фотоприемника, четвертый выход блока 1-3 - к управляющему входу БПЗН 1-2-4 «кольцевого» фотоприемника, пятый выход блока 1-3 - к входу синхронизации сигнального процессора 1-4, шестой выход блока 1-3 - к тактовому входу АЦП 1-5, седьмой выход блока 1-3 - к информационному входу БФА 1-6, восьмой выход блока 1-3 - к синхронизирующему входу БФА 1-6, выход которого подключен к управляющему входу блока 1-3, при этом период управляющих импульсов T_r, формируемых на выходе БФА определяется соотношением (2).

Заявляемая телевизионная камера 1, содержащая заявляемый «кольцевой» фотоприемник 1-2, используется в составе компьютерной системы панорамного наблюдения, например в составе компьютерной системы прототипа [1], которая (см. фиг. 1) содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и сервер 2, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров в позиции 3, при этом 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 k, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1).

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 [4].

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 (см. фиг. 6) 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 у прототипа.

Для заявляемого «кольцевого» фотоприемника 1-2 электроды переноса на фотоприемной области 1-2-1, в секции памяти 1-2-2 и в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-3 могут быть выполнены с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца. Несомненно, что это предоставит и определенные преимущества при изготовлении «кольцевого» фотоприемника по технологии ПЗС.

Следует отметить, что при использовании компьютерной системы панорамного наблюдения в охранных целях, где вполне приемлемо черно-белое изображение сцены, разумно кристалл «кольцевого» фотоприемника 1-2 телевизионной камеры выполнить не на основе кремния, а на основе полупроводника из арсенида галлия. Тогда физически реально достигнуть красной границы спектральной характеристики 1,7 мкм и даже 2,2 мкм, не применяя принудительное охлаждение кристалла фотоприемника [5, с. 113], а в результате получить существенный выигрыш в чувствительности телевизионной камеры, а, следовательно, и компьютерной системы в целом.

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

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

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

Блок формирования апертуры (БФА) 1-6 предназначен для управления считывающей апертурой в «кольцевом» фотоприемнике 1-2 при поэлементном съеме напряжения видеосигнала в БПЗН 1-2-4. В результате для всех строк фотоприемника обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры при различной от строки к строке площади электродов светочувствительных элементов сенсора.

Эпюра выходного сигнала T_r, вырабатываемая на выходе БФА 1-6, представлена на фиг. 5. Предполагается, что фотоприемник 1-2 содержит n «кольцевых» строк. На этой диаграмме первая строка обозначена как T_c1, а последняя строка - как T_cn.

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

Период управляющих импульсов для первой «кольцевой» строки обозначен T_r1, а период управляющих импульсов для последней «кольцевой» строки - T_rn. Период T_r1 является самым малым и равен периоду считывания элемента T_p, а период считывания T_rn - самым большим, который равен nT_r.

В физическом плане управление площадью апертуры осуществляется за счет суммирования зарядовых пакетов в соседних элементах каждой текущей «кольцевой» строки сенсора до выполнения процедуры преобразования «заряд - напряжение». Поэтому это зарядовое сложение не может быть дополнительным источником шумов для видеосигнала на выходе телевизионной камеры.

БФА 1-6 на практике может быть реализован с использованием классического набора технических средств (логических элементов) цифровой электроники. Очевидно, что БФА 1-6 может быть выполнен в составе блока 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала телевизионной камеры.

Заявляемые устройства, а именно: телевизионная камера и ее «кольцевой» фотоприемник (см. фиг. 1-3), работают 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).

Фотоприемник 1-2 телевизионной камеры (см. фиг. 2 и 3) реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-2-1 с последующим переносом зарядовых пакетов всех строк кадра в секцию памяти 1-2-2 и заключительным поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2-3 с формированием на выходе БПЗН 1-2-4 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.

В том же интервале обратного хода по кадру накопленные ранее зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся из области 1-2-1 в секцию 1-2-2.

Затем фотозатвор закрывается и в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а предыдущая зарядовая «картина» выводится из кристалла фотоприемника. При этом в интервале обратного хода строчной развертки происходит загрузка новыми зарядами из секции 1-2-2 в «кольцевой» регистр 1-2-3, которые затем в каждом последующем интервале прямого хода по строке переносятся в направлении к БПЗН 1-2-4, где для сигнала изображения выполняется поэлементное конвертирование уровня заряда в уровень напряжения.

Блок формирования апертуры (БФА) 1-6 управляет работой «кольцевого» фотоприемника по входу «Импульсы сброса» для БПЗН 1-2-4 (см. фиг. 4). В результате этого управления для всех строк фотоприемника обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры, что гарантирует одинаковую чувствительность сенсора по пространству мишени.

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

Затем, как и в прототипе, сформированный аналоговый видеосигнал преобразуется при помощи сигнального процессора 1-4 и АЦП 1-5 в цифровой телевизионный сигнал (ЦТС) «кольцевого» кадра на выходе телевизионной камеры.

Далее ЦТС по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на сервер 2 компьютерной системы, где выполняется запись видеоинформации в его оперативную память на кадр.

Предположим, что, как и в прототипе [1], 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, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» сервера 2.

В результате цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в k «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.

Очевидно, что в предлагаемых операторам «прямоугольных» кадрах будет поддержано программным путем реализованное в «кольцевых» кадрах телевизионной камеры выравнивание разрешающей способности изображения.

В настоящее время все элементы структурной схемы устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, в состав которой входят предлагаемая телевизионная камера и ее «кольцевой фотоприемник, освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать предполагаемую группу изобретений соответствующей требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

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

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

3. Владо Дамьяновски. CTV. Библия видеонаблюдения, Цифровые и сетевые технологии. / Перевод с англ. - М.: ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.

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

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