RU2436255C2

RU2436255C2 - Способ и устройство видеонаблюдения

Info

Publication number: RU2436255C2
Application number: RU2009135326/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Саликов (RU); Александр Анатольевич Саликов
Original assignee: Александр Анатольевич Саликов
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2011-12-10
Also published as: RU2009135326A

Abstract

Изобретение относится к видеотехнике и, в частности, к оптико-электронным приборам обнаружения движущихся объектов. Техническим результатом является повышение метрологической эффективности кругового панорамного видеонаблюдения за счет автоматизации видеонаблюдения с регламентированной точностью нормируемой меры фазы угла поворота в азимутальной плоскости. Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ видеонаблюдения с помощью видеокамеры с видеомагнитофоном, ИК-детектора движения объекта видеонаблюдения и устройства сопряжения детектора движения и видеокамеры с видеомагнитофоном. Видеонаблюдение организуют с возможностью вращения видеокамеры в азимутальной плоскости по многофазному углу поворота видеоизображения синхронно с приемом ИК-излучения детектором движения от ИК-генератора излучения, размещаемого на объекте видеонаблюдения, за счет сканирования приводом с устройством сопряжения в азимутальной плоскости соответствующего угла поворота фазы тактовыми импульсами фиксированной частоты выше 10 Гц. Сканирование угла поворота фазы организуют в коде последовательным приближением нормированного значения к измеряемому значению за счет алгебраического суммирования реверсивных приращений фазы, регистрируемых в виде разницы между измеренным и нормированным значениями. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

Description

Предлагаемые изобретения относятся к видеотехнике, приборостроению, измерительной и информационной технике, точнее к оптико-электронным приборам обнаружения движущихся объектов.

Известны устройство и способ оптико-электронного кругового обзора [см. патент РФ №2321016, кл. G01S 3/78, БИ №9, Ч.4, 2008 г.], организующие прием ИК-излучения, прием лазерного излучения и формирование информационного сигнала. Прием ИК-излучения выполнен с возможностью вращения в азимутальной плоскости приводом с датчиком угла. Приемник излучения состоит из трех идентичных измерительных ИК-каналов, каждый из которых имеет объектив, плоское зеркало, фотоприемное устройство и блок обработки сигнала. Оси указанных объективов равномерно развернуты в азимутальной плоскости и наклонены к ней по вертикали под различными углами. Прием лазерного излучения выполнен панорамным, фотоприем организован в виде секторно-кольцевой многоплощадочной структуры и формирования сигнала наличия лазерного излучения и его направления в азимутальной плоскости.

Недостатками данного устройства и способа являются сложность и недостаточная точность видеонаблюдения.

За прототип приняты способ и устройство видеонаблюдения с использованием домашнего видеомагнитофона [см. заявку РФ №2006114896, кл. H04N 5/765, БИ №32, 2007 г.], включающие видеокамеру наблюдения (видеоглазок), устройство, определяющее период записи сигнала на магнитофон (детектор движения) и устройство сопряжения видеомагнитофона и детектора движения, вместо контроллера механического нажатия кнопок «Start» или «Stop» пульта дистанционного управления предлагается использовать триггерное устройство сопряжения видеомагнитофона и детектора движения, замыкающее на время около 1 с клеммы записи или отмены записи видеомагнитофона «Rec» или «Stop» соответственно и тем самым включающее запись на период записи или отключающее ее.

Недостатками прототипов являются ограниченные функциональные возможности и низкая метрологическая эффективность кругового панорамного видеонаблюдения из-за фиксированного угла видеосъемки, регламентированного неподвижным детектором движения.

Технической задачей способа и устройства является повышение метрологической эффективности за счет автоматизации кругового панорамного видеонаблюдения с регламентированной точностью нормируемой меры фазы угла поворота в азимутальной плоскости.

Поставленная техническая задача достигается тем, что:

1. В способе видеонаблюдения, включающем видеокамеру с видеомагнитофоном, ИК-детектор движения объекта видеонаблюдения и устройство сопряжения ИК-детектора движения и видеокамеры с видеомагнитофоном, в отличие от прототипа, видеонаблюдение организуют с возможностью вращения видеокамеры в азимутальной плоскости по многофазному углу поворота видеоизображения синхронно с приемом ИК-излучения ИК-детектором движения от ИК-генератора излучения, размещаемого на объекте видеонаблюдения, за счет сканирования приводом с устройством сопряжения в азимутальной плоскости соответствующего угла поворота фазы тактовыми импульсами фиксированной частоты выше 10 Гц.

2. В способе по п.1, в отличие от прототипа, сканирование в азимутальной плоскости угла поворота фазы тактовыми импульсами фиксированной частоты организуют в коде последовательным приближением нормированного значения к измеряемому значению за счет алгебраического суммирования реверсивных приращений фазы, регистрируемых в виде разницы между измеренным и нормированным значениями.

3. В устройстве видеонаблюдения, включающем видеокамеру с видеомагнитофоном, ИК-детектор движения объекта и устройство сопряжения, в отличие от прототипа, видеокамера водружена на сканер ИК-детектора движения, организующего вращение в азимутальной плоскости от ИК-генератора излучения приводом с устройством сопряжения угла поворота фазы, который расположен соосно с ИК-детектором движения между подвижной и неподвижной секторно-кольцевыми структурами сканера.

4. В устройстве по п.3, в отличие от прототипа, привод с ИК-детектором движения многофазного угла поворота и устройством сопряжения организован по следящей структуре из последовательного соединения ИК-детектора движения многофазного угла поворота, устройства сопряжения, включающего цифроаналоговый преобразователь и усилитель мощности, и исполнительного механизма вращения в азимутальной плоскости.

5. В устройстве по п.3, в отличие от прототипа, ИК-генератор излучения в азимутальной плоскости выполнен на ИК-светодиоде с автономным источником питания в декоративном исполнении, например в форме значка, размещаемого на объекте съемки.

6. В устройстве по п.3, в отличие от прототипа, ИК- детектором движения многофазного угла поворота служит ИК-фотодиодная матрица из 2m+1 фотодиодов, подключенных входами к источнику питания, а выходами - к управляющим входам реверсивного счетчика, причем центральный фотодиод матрицы соединен со входом его обнуления, первые m-фотодиоды объединены с суммирующим, а вторые m-фотодиоды - с вычитающим входами реверса счетчика, счетный вход которого является синхронизирующим входом тактовой частоты более 10 Гц, а его выходы организуют разряды кода ИК-детектора движения многофазного угла поворота, соответственно разрядности 2m+1 фотодиодам матрицы.

Сущность способа и устройства поясняется фиг.1-3 на уровне временной диаграммы фиг.1, а и алгоритма фиг.1, b, структурных схем фиг.1, с и фиг.2 и кинематики фиг.1, d.

Сущность предлагаемого способа (фиг.1) видеонаблюдения видеокамерой с ИК-детектором движения и устройством сопряжения заключается в том, что видеонаблюдение организуют с возможностью вращения видеокамеры в азимутальной плоскости по многофазному углу φ поворота видеоизображения. Вращение на угол φ осуществляется синхронно с приемом ИК-излучения ИК-детектором движения на i сегментов,

, нормированных по фазе φ₀=π/m угла поворота, т.е. φ=iφ₀ (см. фиг.1, d). ИК-детектор движения регистрирует излучение от ИК-генератора, размещаемого на объекте видеосъемки. Вращение организуют приводом с ИК-детектором движения в азимутальной плоскости пропорционально углу поворота фазы φ тактовыми импульсами частоты F₀ выше 10 Гц. Это обусловлено реакцией объекта за время Т₀, которое для нормального человека составляет больше 0,1 с. Частота F₀ определяется минимальным кодом N₀=1 за период Т₀:

F₀≥N₀/T₀=1/0,1=10 Гц.

Предлагаемый способ реализует устройство видеонаблюдения (см. фиг.2) с использованием видеокамеры (1.1), включающей видеомагнитофон (1.2), ИК-детектор движения (2) объекта и устройства сопряжения (3). Видеокамера 1.1 водружена на сканер 2.1 (см. фиг.1, d) ИК-детектора движения 2, организующего вращение в азимутальной плоскости от ИК-генератора 4.1 излучения и его направления. ИК-генератор 4.1 излучения выполнен на ИК-светодиоде D с автономным источником питания в декоративном исполнении, например в форме значка (пуговицы, брелка и т.д.), размещаемого па объекте 4 видеосъемки. Вращение сканера 2.1 ИК-детектора движения 2 осуществляют приводом 5 угла поворота фазы φ, который расположен соосно со сканером 2.1 ИК-детектора движения 2 и видеокамерой 1. Привод 5 с ИК-детектором движения 2 размещены между подвижной и неподвижной секторно-кольцевыми структурами сканера 2.1. При этом исполнительный механизм 5.1 привода 5 закреплен на неподвижном кольце сканера 2.1 в центре секторно-кольцевой структуры для организации вращения в азимутальной плоскости подвижной секторно-кольцевой структуры, по периметру кольца которой в секторах расположены приемники ИК-излучения D_j, D_-j ИК-детектора движения 2 (см. фиг.1, d).

Структурная схема привода 5 с ИК-детектором движения 2 и устройством сопряжения 3 приведена на фиг.2. Схема включает последовательное соединение ИК-детектора движения 2, устройства 3 сопряжения из цифро-аналогового преобразователя 3.1 и усилителя мощности 3.2, и исполнительного механизма 5.1 вращения сканера 2.1 с ИК-детектором движения 2 в азимутальной плоскости. Структурная схема привода 5 с ИК-детектором движения 2 функционирует по следящей обратной связи отслеживая перемещение объекта 4 видеосъемки в азимутальной плоскости по многофазному углу поворота за счет излучения светодиода D ИК-генератора 4.1 излучения.

В исходном состоянии (см. фиг.1) объектив камеры 1.1 расположен по оси, перпендикулярной объекту 4 за счет приема ИК-излучения ИК-детектором движения 2 от ИК-генератора 4.1 излучения, закрепленного на объекте 4 видеонаблюдения. При перемещении объекта 4 вправо (или влево) на угол φ=iφ₀ в ИК-детекторе движения 2 формируется код N, пропорциональный i-му сектору многофазного угла φ сканера с секторно-кольцевой структурой. Код N формирует на выходе ЦАП 3.1 ток I по линейному закону, который прямопропорционально преобразуется в мощность Р усилителя мощности 3.2 для включения исполнительного механизма 5.1 привода 5. Исполнительный механизм привода 5.1 поворачивает на угол φ сканер 2.1 за счет последовательного включения i сегментов методом последовательного приближения. В результате сканирования на угол φ объектив камеры 1 вновь расположен на оси, перпендикулярной объекту 4 видеосъемки. При дальнейшем перемещении объекта 4 структурная схема привода 5 с ИК-детектором движения 2 функционирует аналогично, фиксируя в коде N многофазный угол поворота φ.

Сканирование в азимутальной плоскости угла поворота фазы φ_i тактовыми импульсами фиксированной частоты F₀ организуют (см. фиг.1) в коде N последовательным приближением нормированного значения N_0j к измеряемому значению N_j за счет алгебраического суммирования реверсивных приращений ΔN_j=N_j-N_0j фазы Δφ_j, регистрируемых в виде разницы ΔN_j между измеряемым N_j и нормированным N_0j значениями. Сумма реверсных значений N в соответствии с алгоритмом 1, b может быть представлена как

Учитывая, что код N=F₀t, т.е. произведение тактовой частоты F₀ на время t, связанное с фиксированными интервалами Т₀ числом j импульсов, находим для последовательного приближения (фиг.1) ΔN_j=N₀. Это следует из условий приближения, т.к.

N_j=F₀t_j=F₀T₀j=N₀j,

N_0j=F₀t_j+1=F₀T₀(j-1)=N₀(j-1),

поэтому разница ΔN_j равна

ΔN_j=N_j-N_0j=N₀(j-j+1)=N₀.

Соответственно, сумма приращений равна

т.е. пропорциональна числу i импульсов. График на фиг.1, а иллюстрирует изменение кода на интервалах t_j приращения

т.к. 5-0=5;

и реверса с 5 до -5, для

:

,

причем итоговая сумма N_-5 равна их разнице

N_-5=N₅+N₁₀=5N₀-10N₀=-5N₀.

Максимальный код N_m определяется суммой -m i-х сегментов

кольцевого сканера 2.1 с круговым углом φ_2π=2π=360° обзора

из m многофазных углов поворота с нормированной фазой φ₀=φ_2π/2m=φ_π/m.

Кольцо кругового сканера 2.1 (см. фиг.1, d) разделено пополам на фазы сегментов φ правого φ₊ и левого φ_- поворота с возможностью вращения видеокамеры 1 в азимутальной плоскости по i-фазному углу поворота φ=iφ₀ видеоизображения, поэтому коды N и N_m пропорциональны числу сегментов фаз, соответственно i и m:

Из этих соотношений следуют зависимости N(φ) и N(i):

показывающие прямую зависимость кода N от угла поворота (фазы) φ и числа i сегментов.

Структурная схема ИК-детектора движения (ДД) 2 (фиг.1, с) поясняет способ видеонаблюдения. ДД 2 многофазного угла φ поворота служит ИК-фотодиодная матрица из 2m+1 фотодиодов D_j и D_-j,

. Диоды D_j организуют правый поворот, D_-j - левый, a D₀ фиксирует установившееся значение, принимаемое за нулевое. При этом в азимутальной плоскости угол поворота фазы равен нулю φ=iφ₀=φ₀, а ось вращения через фотодиод D₀ соосна с окуляром видеокамеры 1. Соответственно, ось перпендикулярна ИК-светодиоду ИК-генератора 4.1 излучения, закрепленному на объекте 4, а также наблюдаемому объекту 4 видеосъемки. Поэтому выход ИК-фотодиода D₀ связан с нулевым входом R (reset) счетчика 2.2. Его реверсивные входы суммы «+» и вычитания «-» тактовых импульсов частоты F₀ объединены каждый с m фотодиодами D_j и D_-j ИК-матрицы сканера 2.1 для регистрации многофазных углов φ правого или левого поворота объекта 4 видеосъемки.

В исходном состоянии (см. фиг.1, а) объект 4 находится перпендикулярно оси видеосъемки видеокамеры 1, при этом счетчик 2.2 обнулен, т.к. от ИК-светодиода D ИК-генератора 4.1 излучения, расположенного на объекте 4 видеонаблюдения, лучи воздействуют на нулевой D₀ фотодиод. В исходном состоянии код N счетчика 2.2 равен нулю. При повороте объекта 4 вправо, например на 5 сегментов угла поворота φ=5φ₀, код N=5N₀, а нормированный код N_0j=0N₀. Лучи от ИК-светодиода D ИК-генератора 4.1 излучения объекта 4 регистрируются D₅ фотодиодом, что увеличивает суммарный код счетчика 2.2 в течении j тактов импульсами F₀. За счет последовательного приближения нормируемого кода N_0j к текущему N_j сканер (см. фиг.1, d) вращается вправо от j=5-го сегмента к нулевому, а код в счетчике 2.2 увеличивается

.

Когда нулевой сегмент с фотодиодом D₀ окажется в азимутальной плоскости на оси, перпендикулярной ИК-светодиоду D ИК-генератора 4.1 излучения, счетчик 2.2 останавливается, а объект 4 видеосъемки вновь оказывается перед объективом видеокамеры 1 на оси, перпендикулярной видеосъемке. Аналогично ИК-детектор движения 2 отслеживает левый поворот за счет включения D_-j фотодиодов и вычитания j-х импульсов F₀ из счетчика 2.2. На выходе счетчика 2.2 ДД 2 регистрируется код N, пропорциональный интегралу (1) приращений ΔN_j кода, соответствующих линейному преобразованию фазы φ=iφ₀ (или числу i сегментов) в код по характеристикам (5).

Оценим метрологическую эффективность предлагаемого решения относительно прототипа, обусловленную автоматизацией кругового панорамного обзора с регламентированной точностью (четкостью) нормируемой меры фазы угла поворота. Четкость видеоизображения определяется погрешностью 6 фокусного расстояния, зависящей от фазы угла поворота. Фокусное расстояние (см. фиг.3) от центра О объектива до объекта F равно кратчайшему расстоянию OF окружности радиусом r для объекта, находящегося в фокусе видеосъемки. При перемещении объекта по окружности радиусом r вправо (или влево) на угол α, равный половине фазы угла поворота φ/2, его эффективное фокусное расстояние уменьшается с радиуса r до проекции OS на ось OF. Погрешность ε изменения фокусного расстояния определяется относительным изменением Δ радиуса r до проекции OS к нормированному фокусу r окружности

ε=Δ/r=1-OS/r.

Отношение OS/r несложно найти из треугольника SOR

OS/r=cosα,

где α=φ/2 - угол половины фазы угла φ поворота в азимутальной плоскости перемещения объекта видеонаблюдения.

За нормированную фазу φ₀ целесообразно принять угловую меру, регламентированную погрешностью ε фокусного расстояния, например 1%, т.е. ε=0,01 или φ₀=φ(ε=0,01). Нормированную фазу φ₀ также можно определить из половины окружности с углом φ_ü=π=180°, разделенным на максимальное число m сегментов

φ₀=φ_m/2=π/2m.

Для многофазного угла поворота φ=iφ₀ из i сегментов, где

, погрешность фокусного расстояния оценивается зависимостью

ε=1-cos(iπ/2m).

Оценка погрешности ε(φ) с нормированной мерой фазы φ/2=8° для

сегментов при m=11 сведена в таблицу.

i	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
φ₀/2, °	8	16	24	32	40	48	56	64	72	80	88
cosφ	0,99	0,96	0,91	0,85	0,77	0,67	0,56	0,44	0,31	0,17	0,035
ε, %	1,0	4,0	8,7	15	23,4	33	44	56	69	83	96,5
φ₀, °	16	32	48	64	80	96	112	128	144	160	176

Анализ характеристики ε(φ) показывает увеличение погрешности от числа i сегментов многофазного φ=iφ₀ угла поворота с одного процента для длиннофокусного объектива видеокамеры с нормированной фазой φ₀=16° до 4,0-8,7% для стандартных объективов с углом 32-48°, а для широкофокусных объективов с углом 64-80° до погрешности 15-23,4%. Начиная с i=8 сегментов для φ=128° погрешность расфокусировки превышает 50% и стремится к 100% (неопределенности четкости объекта видеонаблюдения) при увеличении угла до 180%, т.е. половины угла φ₀/2=90°. Для прототипа даже с ультраширокоугольным глазком обзор ограничен φ=128-144°, точность снижается на два порядка при увеличении обзора до половины круга, при большем угле видеокамера не регистрирует объект из-за его отсутствия перед глазком детектора движения.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство видеонаблюдения, в отличие от известных решений, за счет автоматизации вращения угла поворота позволяют расширить видеонаблюдение до кругового панорамного обзора с регламентируемой точностью нормируемой меры, например с погрешностью 1% для видеообъектива с углом 16°, что на два порядка повышает точность видеонаблюдения или метрологическую эффективность видеосъемки. Предлагаемые способ и устройство расширяют возможности бытовой видеотехники до профессионального уровня за счет внедрения измерительной и информационной техники в оптико-электронное приборостроение.

Claims

1. Способ видеонаблюдения, включающий видеокамеру с видеомагнитофоном, ИК-детектор движения объекта видеонаблюдения и устройство сопряжения ИК-детектора движения и видеокамеры с видеомагнитофоном, отличающийся тем, что видеонаблюдение организуют с возможностью вращения видеокамеры в азимутальной плоскости по многофазному углу поворота видеоизображения синхронно с приемом ИК-излучения ИК-детектором движения от ИК-генератора излучения, размещаемого на объекте видеонаблюдения, за счет сканирования приводом с устройством сопряжения в азимутальной плоскости соответствующего угла поворота фазы тактовыми импульсами фиксированной частоты выше 10 Гц, сканирование в азимутальной плоскости угла поворота фазы тактовыми импульсами фиксированной частоты организуют в коде последовательным приближением нормированного значения к измеряемому значению за счет алгебраического суммирования реверсивных приращений фазы, регистрируемых в виде разницы между измеренным и нормированным значениями.

2. Устройство видеонаблюдения, включающее видеокамеру с видеомагнитофоном, ИК-детектор движения объекта и устройство сопряжения, видеокамера водружена на сканер ИК-детектора движения, организующий вращение в азимутальной плоскости от ИК-генератора излучения приводом с устройством сопряжения угла поворота фазы, который расположен соосно с ИК-детектором движения между подвижной и неподвижной секторно-кольцевыми структурами сканера, отличающееся тем, что привод с ИК-детектором движения многофазного угла поворота и устройством сопряжения организован по следящей структуре из последовательного соединения ИК-детектора движения многофазного угла поворота, устройства сопряжения, включающего цифроаналоговый преобразователь и усилитель мощности, и исполнительного механизма вращения в азимутальной плоскости, ИК-генератор излучения в азимутальной плоскости выполнен на ИК-светодиоде с автономным источником питания в декоративном исполнении, например в форме значка, размещаемого на объекте съемки, ИК-детектором движения многофазного угла поворота служит ИК-фотодиодная матрица из 2m+1 фотодиодов, подключенных входами к источнику питания, а выходами - к управляющим входам реверсивного счетчика, причем центральный фотодиод матрицы соединен со входом его обнуления, первые m фотодиоды объединены с суммирующим, а вторые m фотодиоды - с вычитающими входами реверса счетчика, счетный вход которого является синхронизирующим входом тактовой частоты более 10 Гц, а его выходы организуют разряды кода ИК-детектора движения многофазного угла поворота соответственно разрядности 2m+1 фотодиодам матрицы.