CN87107804A - 数字图象收集系统 - Google Patents

Abstract

动态随机存取存储器摄象传感器协同激励器/ 消除扰频电路、微处理机和灰度级差异控制器提供一 数字图象。该图象由象素比较器和微处理机处理，以 检测图象帧间的变化。检测到的变化的结果和/或 图象能通过接口传送，另一接口提供外部源与摄象机 的通信。用声音电路和扬声器/话筒也能通过各接 口进行双向声音通信。这提供了一具有“内部”处理 能力的摄象机。摄象机装入有至少一摄象机、至少一 基站和连接摄象机和基站的通信线路的系统。

Description

本发明涉及一种成象系统，而特别涉及一种使用“智能”摄象机的成象系统。智能摄象机能与一种起摄象传感器作用的动态随机存取存储器（RAM）一起使用。该动态RAM摄象传感器能使整个数个系统被实施应用。

成象系统能在多种情况下使用。范围包括从保安系统直到自动操纵系统。一般地说，任何其图象需要被传送至一个中心或者可选择的地方的成象系统都能使用本发明。

在已知的系统中，例如，闭路电视系统中，由诸如视象管的摄象单元摄取图象，然后通过同轴电缆将其以模拟的方式传送至一站。任何需要进行的处理通常在该站进行。这就是在一个一般配备有一模/数转换器（ADC）以及计算机的远距离中心站来执行任何必须的处理功能。来自摄象机的输出也可以在通信线路上被传输之前转换成数字形式。通信线路的带宽确定了这种类型的系统的进一步限制和费用。

在保安系统中使用运动检测软件或硬件，以指示在给定的观察空间里出现入侵者或某些骚扰，这也是众所周知的。这些已知的系统通常使用一遥控的摄象机，该摄象机经过一通信线路与中央观察和处理设备连通。中央处理设备用计算机执行运动检测。在摄象机和设备之间要求的通信带宽可能需要几个兆赫的数量级，以提供按照这些种类的情况所要的实时分析。此外现有的摄象机仅提供一模拟输出需要一模/数变换器来提供计算机处理所需的数字格式。

一种已知的提供数字输出的成象设备是一种在帕金森申请的美国专利说明书第4441125号中所公开的具有透明窗的动态RAM。这种摄象传感器使用动态RAM的光敏半导体存储元件以提供一黑白图象，或者它能被使用以提供一可变的灰度级输出。上述这种摄象传感器用于较低的成本应用上，诸如机器人和玩具上。它与其他诸如视象管和CCD（充电耦合器件）之类的成象器件相比更便宜和尺寸较小。帕金森的说明书叙述了作为摄象传感器的动态RAM的操作的各种模式。传感器的灵敏度能用变更扫描阵列的速度来控制，或用改变确定RAM单元的逻辑状态的阈值来控制。通过扫描这些具有遵循一重复电压梯级程序的阈值的单元，一图象的灰度能被确定。这也可以不同的速度（周期）来扫描该单元阵列来实现。

本发明通过提供一新颖的方法克服了上述现有技术的缺点，该方法为操纵使用动态RAM的摄象传感器和一使用摄象机或摄象器的成象单元进行工作，该摄象器件具有赋予实际摄象器件自主的与摄象器件有关的处理能力，以提供一“智能”摄象机。于是该智能摄象机能在一提供了与基站进行智能的双向通信的系统中使用。

根据本发明的一个方面，提供了一种使用动态随机存取存储器（RAM）摄象传感器的图象获取方法，该摄象传感器有一透明窗，通过该窗有一透镜能将图象聚焦在所述动态RAM摄象传感器的照射敏感单元的阵列上，该图象获取方法包括的步骤如下：将所述动态RAM的诸单元设定在完全充电状态，扫描所述摄象传感器以提供一系列的可变曝光时间长度的图象，将所述一系列的可变曝光时间长度的图象存储在缓冲器里，以及对所述一系列的可变曝光时间长度的图象进行处理，以提供成象器件的连续扫描之间的差异的量度，从而形成各象素的二进制编码的亮度级，以构成一图象的单个帧。

根据本发明的另一个方面，提供了一智能摄象机，该智能摄象机包括光传感器装置、用以提供所述光传感器装置的数字输出的装置、用以处理所述数字输出的装置和用以提供所述数字输出的外部通信的装置。

在本发明的再一个另外方面，提供了一成象系统，该成象系统包括一智能摄象机装置、基站装置和用以在所述智能摄象机装置和所述基站装置之间进行联系的装置，该摄象机装置包括光传感器装置、用以提供所述光传感器装置的数字输出的装置、用以处理所述数字输出的装置和用以提供所述数字输出的外部通信的装置，该基站装置包括输入和输出装置。

本发明的一个最佳实施例将参照下面的附图来说明，其中：

图1是根据本发明的一个方面的摄象传感器的示意方框图;

图2（a）和（b）是根据本发明的另一个方面的智能摄象机的实施例的示意方框图;

图3和4是更详细说明图2（a）和（b）的示意方框图;

图5是使用图2的智能摄象机的成象系统的示意方框图

图6是图5的系统中摄象机操作的程度逻辑的实施例的流程图;

图7是使用于图5的系统中的基站的示意方框图;以及

图8是使用于图5的系统中的汽车的或本地基站的示意方框图。

参阅图1，图象是由透镜2聚焦在传感器3上，传感器3使用例如在美国专利说明书第4441125号中公开的动态随机存取存储器（RAM）。这是由接口电子线路4扫描，以获得带有多个强度变化的图象，在本情况下强度变化为八级灰度级。在所述美国说明书中所公开的动态RAM摄象传感器提供了一代表一比特单元黑值或白值的输出。传感器3被连接至用作临时存储缓冲器9的8个64K×1位动态RAM8，以提供使用64K×1位动态RAM的八级灰度级。电路6准许这样一工作程序，能使得预定时间长度的图象的初始曝光被写入缓冲器9的第一RAM8。曝光时间长度变化的后来的诸曝光然后被写入接连的其余RAM8中。通过例如以线性的或几何的时序增加曝光时间长度，能获得一系列八级，从而提供一灰度级。曝光时间长度和连续的诸曝光之间的关系是处在微处理机（未示出）的软件控制之下。在临时存储缓冲器9中存储的数据于是被用来提供具有所需八个可能亮度级的单个图象帧，然后通过这些亮度级各象素被编码为3位1的互补二进制数据。这可以通过使用一8至3优先编码器10来完成。结果的图象数据然后被引导至诸视频RAM11，准备为进一步处理存储起来或者准备作显示。

诸视频RAM11由12个64K×1动态RAM组成，这些RAM与作临时存储用的缓冲器9中使用的RAM的型式相同。这些RAM是以一4×3矩阵的形式排列，使之有可能以64K图象象素存储四个帧，其中各象素是用3位二进制数据代表。诸视频RAM于是可由某个外部器件存取，以数字格式提供图象。使用4×3矩阵通过用微处理机也能完成另外的处理。这可以包括各个帧间的运动检测或对图象数据的处理，以提供带宽压缩。

提供灰度级的另一个方法并不要求在存储RAM的数目与所需的灰度级的数目之间有一对一的关系（如上所述），也就是说，对于32级灰度级，在这种系统中将需要32个64K×1位存储器件。然而，这可以通过包括一如图4所示的灰度级差异控制器而减少至5个（32＝2⁵）64K×1位RAM。这技术涉及将存储阵列的电平一开始置位于对应于一纯白景色的全部“1”。扫描是按先前的技术方式进行，但各扫描的二进制值现在通过差异控制器与各象素以前的扫描值依次进行比较，以确定差异。在存储阵列中适当的二进制数字于是被改变至对应于测得的差异。从而在传感器阵列的第32个扫描的未端，存储阵列将反射确定的灰度级作为存储的5位二进制数。这技术节约了所需的存储器，并且不需要2ⁿ电平至n位的编码器。

差异控制器包含计数器、多路调制器和按下列操作程序的逻辑。一开始置位于全部“1”的计数器随着图象阵列的各连续的扫描被减小。图象阵列的扫描与和图象阵列的有关象素相对应的存储元素的寻址同步。由图象阵列读出的象素的值被用以激励存储阵列的写控制线。因此计数器中的数值被写入或未被写入依赖于是一“1”（未改变）还是一“0”（改变）是否已经从适当的象素读出。在32步骤的扫描程序（在本情况中）的未尾，存储器存储已确定的32级灰度级作为各象素的一5位二进制值。

如上述美国专利中所公开的，摄象传感器的灵敏度能通过改变提供给转换了的存储器件的传感放大器的阈值来变更。另外，灵敏控制也能通过改变扫描速率来提供。对于本发明的传感器的这些特点和操作情况，从而提供了一个带有数字输出的具有可变的灵敏度和可控亮度分辨率的图象传感器。

智能摄象机的两个实施例的方框图示于图2（a）和（b）中。图2（a）表示使用一电荷耦合器件（CCD）或视象管作为由激励电路22激励的摄象传感器20的模拟实施例。摄象机的模拟输出由一模数转换器（ADC）24转换成由组件26处理的数字格式，该组件26然后通过接口28与外界进行双向通信。

图2（b）使用一摄象传感器30，该摄象传感器30具有数字输出（如参阅图1所述）。激励器电路和处理组件32被组合在一单个方框里，该方框可包括一微处理机和辅助的逻辑。组件34提供一与外界连通的双向数字接口。

图3更详细地示出了图2（a）中的模拟实施例。CCD摄象机40将其模拟输出在被馈送至模/数变换器44之前提供给垂直/水平分离器42。存储微型组件46存储来自摄象机40的图象的数字化数值。微处理机48通过总线47与存储器46连通。这存储微型组件46至少存储两帧由象素比较器电路50处理的图象。两连续的帧的图象被分别馈送至象素比较器52和54。这些比较器52和54能在各单个象素、行或块的基础上比较图象，在计数器56和58中提供记数。这些比较的结果然后在水平和/或垂直消隐间隔期间存储在微处理机48里。在微处理机48的控制下进行运动检测和调节控制环境光情况的比较灵敏度的参数。

象素比较器50以高速工作，以能达到每秒50帧的总处理能力。因此它以脱离微处理机48的实时工作，以在其速度能力范围内执行软件支持和功能控制，这一硬件比较器50和微处理机48的组合，在摄象机处提供一实时图象处理环境。微处理机48根据视情况而变化的容许的象素、行或块所选择的参数进行计算。这些参数是在软件控制下和外部控制下（经过缓冲器和多路调制器68）。

如果微理处48检测到一相关的情况，例如指示在保安环境中的侵入的动作，微处理机48能将这事实发信号至外界，其路径是通过RS232/422激励器60、调制解调器62、提供TTL（晶体管晶体管逻辑或+5V逻辑‘1’）输出的缓冲器64或发出一本地警报输出的输出激励器66。这些输出器件能发出警报情况的检测信号和/或作为数字输出发送图象。摄象机输出也能从线路61作为模拟信号提供。

输出信号于是能促使一外部器件（见图5、7或8）。经过缓冲器和多路调制器68与智能摄象机连通。这些缓冲器68也能提供来自例如烟尘检测器、压力或接触开关、或其他摄象传感器的其他传感器的输入。

微处理机48也能控制自动拨号电路70，在检测到火警或入侵情况时拨通相关的紧急设备。

摄象机也能配备声音电路72，该声音电路从扬声器和话筒74提供的有声输入或输出。这有声的输入/输出能由微处理机48进行处理，例如，检测到火警中人的存在，或经过调制解调器62直接输入/输出以提供双向接触。

参照图1所述的摄象传感器可以装在图2（b）中所示类型的智能摄象机中。这在图4中更详地示出。从RAM摄象传感器80来的数字输出被连接至存储微型组件82，该摄象传感器80具有由透镜81聚焦在其上的图象。存储微型组件82与微处理机84和象素比较器86相连接。象素比较器86也受微处理机84的控制（如总线87所示）。微处理机84通过总线也能进一步与一半导体或其他随机存取存储器件相连接，或与磁盘相连接。

在软件控制下微处理机调整摄象机的工作以提供多种功能，在功能中有控制象素比较器的功能，该比较器是一硬件器件，包括以比单独用微处理机所能实现的速度为高的速度进行工作以检测运动的电路。摄象传感器然后通过线路89由激励器88控制，该激励器88继而由微处理机84以上述参阅图1所述的方式协同灰度级差异控制器85来控制。

电路88也包括“消除扰频”（de-scramble）电路。这电路校正动态RAM（作为一图象阵列）的那些缺陷，例如图象是由二个或多个分开的阵列组合而成的，单元的完全充电状态在需要执行逻辑转换的诸分开的阵列中可以是一逻辑不同的数值和/或诸阵列是非直线性的。接着存储器被连接至外缓冲器90以提供一并行数字输出，或连接至DAC98以提供一模拟输出。微处理机通过调制解调器94或RS232/422激励器92提供一串行输出。

智能摄象机的操作是由软件控制，该软件可以是机内自己的软件的，或者是通过由缓冲器100接收的来自某外部源的通信进行修改的。

图6表示一保安设施的一可能的程序的顺序。逻辑采取这样的形式即存储器存储两帧：帧1和帧2。当每一个新帧被产生时这些帧被交替地写入。帧1被被数字化（步骤1），与帧2比较且被存储在存储器中（步骤2）。微处理机将结果与对于为给定的周围情况例如每行5%充电的情况选择而设定的灵敏度进行比较（步骤3）。如果有任何确定的差异（步骤4）（“是”输出），微处理机就按步骤9-12的次序，否则执行下一个步骤（步骤5）。这意味着在“起动”时逻辑将自动地指示出一个差异。由于帧2在初始未被存储。这可以用作由摄象机软件和/或基站（将在下面叙述）进行的操作检验。帧2被数字化且与存储的帧1比较（步骤5和6）。微处理机根据灵敏度再比较结果（步骤7）。如果有任何确定的差异（步骤8）（“是”输出），微处理机就遵循步骤9-12的次序，否则根据新帧1重复步骤1-8的次序。

步骤9-12的次序是可变的。微处理机决定采取行动的路径（步骤9）。这可包括遥控单元的自动拨号和指示已经检测到差异的警报信号的传输（步骤10）。此后可以是最后帧的传输或等待来自下面将叙述的一外“基站”的某一回答。摄象机能变成为在外基站的控制下（步骤11）。摄象机在外部控制（“否”输出）下能保持到作出恢复正常操作（“是”输出）的决定时为止（步骤12）。在后者的情况下，操作在顺序的开始（步骤1）重新开始且照以前一样继续进行。

由此提供了一智能摄象机，即，摄象传感器与包括在微处理机里的和/或象素比较器电路里的处理装置相耦合以提供在这种情形中用作为保安系统或其他形式的监视、遥控检测、医学应用等等的一种多用途和廉价的部件。微处理机或象素比较器电路里的提供运动检测的内含物具有几个在以前任何已有技术中所没有的优点。

当摄象机在保安系统中被用作为摄象传感器时，处理可以在摄象机处而不是象现有技术设备那样在某一遥远的场所进行，因此只需要对例如景象中变化进行通信，而这可以在比任何现有技术器件所需的带宽频道狭得多的带宽频道上通信。因此使用调制解调器输出或其他狭带频道可以采用标准电话线。这也并不妨碍使用例如光纤或同轴电缆那样的更宽频带的频道，而能提供必要的多功能性，从而使智能摄象机能在多种情形中使用。

智能摄象机能装在一如图5和7所示的成象系统里，该成象系统包括一个或多个智能摄象机102，这些摄象机102通过各自的双向线路104与基站106连接，该基站106可连接至一个或多个监视器108，该监视器能使来自各自摄象机的图象或控制各摄象机的参数被显示出来。基站106也能配备一操作键盘109或在现有技术中已知的任何类似的输入器件。

基站也可与本地或移动基站110相连接，该基站110与一智能摄象机结合能提供一电视电话控制台。在摄象机和基站之间的线路104可以是一3千赫的电话线路、一64千赫的ISDN线路、一光纤线路或一专用自动小交换机或任何其他电磁的例如无线电或微波、无线联系。基站106是由载有必需数目的电路的线路板槽112组成，以适应系统的所需的容量，同时也提供可扩展的能力。

在基站的一个操作员能简单地监视在遥控的智能摄象机监视下所发生的事件，或能通过改变由智能摄象机执行的程序步骤主动干预其功能。同样地，基站可以是在计算机的控制之下而无具体的人的干预。这取决于所使用的系统的用途。

虽然双向线路提供最大的多功能性，但这并不排除使用单向线路，那时摄象机将以机内的模式进行操作。

一种可能的基站结构的扩展方框图在图8中示出。这是图5的汽车基站110的一方框图。

汽车基站的主要部件是中央处理单元（C.P.U.）120、图示处理器122和算术逻辑单元（A.L.U.）124。CPU    120经过地址和数据总线与包括程序只读存储器ROM126和RAM130的存储器125相联系，以及与调制解调器/激励器132相联系。图示处理器122具有与视频和图象存储RAM134相联系的地址、数据和控制总线。ALU124是与用于图象处理的图示处理器122一起使用，并经过复式双向缓冲器136与RAM134相联系。锁存器138控制适当的ALU功能的选择。ALU124的输出激励视频模转换器（DAC）140以提供视频输出。

用户通过键盘142控制汽车基站的操作。用户能给一定的目的地拨号并也能执行各种例如快速镜头变焦或包括带有文字的图象等的功能的选择。缓冲器144提供在CPU    120、图示处理器122、ALU    124（经过锁存器138）或存储器125（经过译码逻辑146）之间的接口。译码逻辑146也提供图示处理器122的功能控制。

图8的基站于是能经过线路104与基站106一起被连接至一辅助的基站，以提供一电视电话线路。

智能摄象机能在例如民用的、工业用、司法的或军用的保安设施中使用。同样地，摄象传感器能对除了可见辐射光以外的例如红外线或紫外线敏感，可在遥控检测或夜视活动中使用。也能使用一种低亮度级摄象传感器。通过设有供智能摄象机使用的外部联系，一个以上的摄象传感器能由一个智能摄象机源来操作。这在遥控检测环境中特别有好处。这里摄象机能被装载在任何适当的诸如宁宙飞船那样的运载工具，例如在地球轨道内的人造卫星、空中的运输工具例如飞机或小型飞船，潜水艇、船或陆上车辆。

通过在摄象机中提供智能，得到了一种廉价和有效的成象系统。摄象传感器。智能摄象机或装有智能摄象机的系统的应用范围是非常广的。因此应当理解本发明的上述诸实施例并不限制本发明的精神和范围，而仅仅作为实例而已。对于本专业领域的技术人员来说，其他的实施例也是很容易明白的。

Claims (18)

1、一种使用动态存取存储器(RAM)作为摄象传感器的图象获取方法，该摄象传感器有一透明窗，通过该窗有一透镜能将图象聚焦在所述动态RAM的照射敏感单元的阵列上，其特征在于，该图象获取方法包括下列步骤：

(i)将所述动态RAM的诸单元设定在完全充电状态；

(ii)扫描所述摄象传感器以提供一系列的可变曝光时间长度的数字图象；

(iii)将所述一系列的可变曝光时间长度的图象存储在一存储缓冲器里；

(iv)对所述一系列的可变曝光时间长度的图象进行处理，以提供一作为结果产生的具有多个亮度级的图象的单个帧，以及

(v)将结果的图象单个帧存储在存储装置里。

2、一种数字摄象传感器，其特征在于，该传感器包括：

（ⅰ）一具有一透明窗的动态随机存取存储器（RAM）摄象传感器，通过该窗有一透镜能将图象聚焦在所述动态RAM的照射敏感单元的阵列上;

（ⅱ）用以将所述动态RAM的诸单元设定为完全充电状态的装置;

（ⅲ）用以以一顺序的步骤扫描动态RAM，以提供一系列的可变曝光时间长度的图象的装置

（ⅳ）用以将所述一系列的可变曝光时间长度的图象存储起来的装置;

（ⅴ）用以对所述一系列的可变曝光时间长度的图象进行处理，以提供一作为结果产生的具有多个亮度级的图象的单个帧的装置;以及

（ⅵ）用以存储该结果的图象的单个帧的装置。

3、根据权利要求2所述的数字摄象传感器，其特征在于，该传感器还包括用以存储图象的多个帧的装置。

4、一种智能摄象机，其特征在于，该摄象机包括：

（ⅰ）用以提供图象的成象装置;

（ⅱ）用以提供成象装置的数字输出的装置;

（ⅲ）用以存储所述成象装置的数字输出的装置;

（ⅳ）用以处理所述成象装置的数字输出，以提供一结果，且对该结果响应的处理装置;以及

（ⅴ）用以根据所述响应传递一输出的装置。

5、根据权利要求4所述的智能摄象机，其特征在于，其中成象装置是一如权利要求2所述的数字摄象传感器。

6、根据权利要求4所述的智能摄象机，其特征在于，其中成象装置是一模拟成象器件。

7、根据权利要求5所述的智能摄象机，其特征在于，其中处理装置包括一微处理机。

8、根据权利要求7所述的智能摄象机，其特征在于，其中所述处理装置还包括用以比较连续的帧的图象的象素的装置。

9、根据权利要求8所述的智能摄象机，其特征在于，其中用以提供一输出的装置包括一调制解调器。

10、根据权利要求9所述的智能摄象机，其特征在于，其中用以提供一输出的装置还包括一数字接口。

11、根据权利要求4所述的智能摄象机，其特征在于，该摄象机还包括用以接收来自外部源的数字信息的装置。

12、一种成象系统，其特征在于，该成象系统包括：

（ⅰ）一基站，其输入和输出装置与人工或自动操作控制装置相连通;

（ⅱ）一个或多个智能摄象机装置，各摄象机是如权利要求4所述的摄象机;以及

（ⅲ）用以将所述基站与所述摄象机连接以提供通信通道的装置。

13、根据权利要求12所述的成象系统，其特征在于，其中所述智能摄象机是一如权利要求2所述的数字摄象传感器。

14、根据权利要求12或13所述的成象系统，其特征在于，其中所述智能摄象机在所述处理装置中包括一用以检测连续的帧之间运动的装置。

15、根据权利要求14所述的成象系统，其特征在于，其中通信装置包括一电话线路。

16、一种成象系统，其特征在于，该成象系统包括：

一基站，其输入和输出装置与人工或自动操作控制装置相连通;

一个或多个智能摄象机装置，各摄象机是如权利要求11所述的摄象机;以及

用以将所述基站与所述摄象机连接以提供双向通信通道的装置。

17、根据权利要求16所述的成象系统，其特征在于，其中所述智能摄象机是一如权利要求2所述的动态RAM。

18、根据权利16或17所述的成象系统，其特征在于，其中所述智能摄象机在所述处理装置中包括一用以检测连续的帧之间运动的装置。

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