RU2755809C1

RU2755809C1 - Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с повышенной разрешающей способностью

Info

Publication number: RU2755809C1
Application number: RU2021100468A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Михайлович Смелков
Original assignee: Вячеслав Михайлович Смелков
Priority date: 2021-01-12
Filing date: 2021-01-12
Publication date: 2021-09-21

Abstract

Изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной 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. Техническим результатом является расширение номенклатуры применяемой комплектации в составе телевизионной камеры системы путем использования в качестве сенсоров «кольцевых» и матричных фотоприемников, различающихся по площади светочувствительных пикселов. Результат достигается тем, что телевизионная камера имеет два сенсора: «кольцевой» и «прямоугольный» (матричный) фотоприемники, изготовленные по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП). При этом если величина светочувствительной площади активного пиксела (Δ₁) первой строки «кольцевого» сенсора меньше показателя площади (Δ) в матричном фотоприемнике, то для выравнивания чувствительностей «кольцевого» и матричного каналов в телевизионной камере коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки «кольцевого» сенсора должен быть увеличен в Δ/Δ₁ раза, если величина показателя Δ₁ в «кольцевом» сенсоре больше показателя Δ в матричном фотоприемнике, то для выравнивания чувствительностей «кольцевого» и матричного каналов должна быть увеличена в Δ₁/Δ раз величина коэффициента усиления K_m активного пиксела матричного сенсора при условии сохранения величины коэффициента K_m для «кольцевого» сенсора. 1 з.п. ф-лы, 8 ил., 2 табл.

Description

Предлагаемое изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению, которое выполняется компьютерной 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. Телевизионная камера такой системы имеет два сенсора: «кольцевой» и «прямоугольный» (матричный) фотоприемники, -изготовленные по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с повышенной разрешающей способностью [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, 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 электрического вписывания изображения (БЭВИ), который осуществляет программным путем вставку «кольцевого» кадра телевизионной камеры в «прямоугольный» растр компьютерного монитора, причем в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью вход БЭВИ подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход БЭВИ - к выходу «сеть» сервера; в состав платы видео входит также блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), который заменяет БЭВИ при переводе компьютерной системы в режим последовательного обзора панорамного сюжета, причем число «прямоугольных» кадров т, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:

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

при этом телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр изображения, содержит последовательно расположенные панорамный объектив и светоделитель, воспринимающий на входе выходное оптическое изображение панорамного объектива и обеспечивающий формирование на первом выходе оптического изображения одного из фрагментов «кольцевого» кадра, проецируемого на мишень матричного фотоприемника, а на втором выходе - оптического изображения всего «кольцевого» кадра, проецируемого на мишень «кольцевого» фотоприемника, причем сам светоделитель содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом полупрозрачного зеркала, а второй выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива; при этом «кольцевой» фотоприемник (сенсор) выполнен на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, и содержит на мишени линейки светочувствительных элементов (пикселов), расположенных вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, причем число светочувствительных пикселов в каждой «кольцевой» строке мишени одинаково, а их площадь от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии сенсора, причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K_m, а также встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки сенсора, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество «радиальных» шин видео - число пикселов в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: «кольцевой» регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор «кольцевой» строки; «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого «радиального» столбца, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора строчной развертки и обеспечивают передачу видеосигнала на выходе каждой «радиальной» шины видео на «кольцевую» шину видео, выход которой является выходом «Видео» «кольцевого» фотоприемника, причем коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки этого сенсора изменяется по соотношению:

где Δ₁ и Δ_m - соответственно светочувствительная площадь активного пиксела для первой и текущей «кольцевой» строки считывания в «кольцевом» сенсоре, обеспечивая одинаковую величину считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения;

при этом второй сенсор телевизионной камеры - матричный фотоприемник, установленный на блоке наведения, как и «кольцевой» сенсор, выполнен по технологии КМОП, с аналогичной организацией по методу «координатная адресация», причем число его «прямоугольных» строк равно числу «кольцевых» строк у «кольцевого» сенсора, но в отличие от него, число пикселов в строке превышает показатель, равный числу пикселов в строке у «кольцевого» сенсора, деленному на m, а при одинаковой светочувствительной площади (Δ) всех активных пикселов мишени коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «прямоугольной»» строки мишени матричного сенсора сохраняется постоянным и неизменным по величине; причем блок наведения осуществляет плавное пространственное перемещение матричного фотоприемника в пределах круга в положение, отмечаемое на изображении в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью электронной отметкой, которая одновременно является геометрическим центром предлагаемого к рассмотрению отдельно взятого фрагмента «кольцевого» кадра, при этом управление блоком наведения выполняется по команде оператора системы с компьютера; управление режимом «Видео» тоже выполняется по команде оператора, которая подается на управляющий вход коммутатора-смесителя, первый информационный вход которого подключен к выходу «Видео» «кольцевого» фотоприемника, второй информационный вход коммутатора-смесителя - к выходу «Видео» матричного фотоприемника, а третий информационный вход коммутатора-смесителя - к выходу сигнала генератора электронной отметки, управляющий вход которого подключен к выходу датчика положения блока наведения, причем выход «Видео» «кольцевого» фотоприемника подключен к входу селектора синхроимпульсов, выход кадровых синхроимпульсов (КСИ) которого подключен к первому входу генератора электронной отметки и соответственно к входу синхронизации коммутатора-смесителя, выход строчных синхроимпульсов (ССИ) селектора синхроимпульсов - ко второму входу генератора электронной отметки; а выход смеси синхроимпульсов приемника (ССП) селектора синхроимпульсов - к входу внешней синхронизации матричного сенсора; причем коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки «кольцевого» сенсора изменяется по соотношению:

где Δ₁ и Δ_m - соответственно светочувствительная площадь активного пиксела для первой и текущей «кольцевой» строки считывания в «кольцевом» сенсоре;

D/ƒ - относительное отверстие второго объектива светоделителя;

τ₁ - коэффициент пропускания второго объектива светоделителя;

τ₂ - коэффициент пропускания коллективной линзы светоделителя;

при этом в качестве сервера компьютерной системы используется системный блок одного из компьютерных пользователей.

Перепишем соотношение (3) в следующем виде:

где коэффициент β, определяющий отношение освещенности сцены на первом выходе светоделителя к его освещенности на втором выходе, измеряется величиной

В прототипе [1] обеспечивается возможность наблюдения панорамного сюжета полностью (в режиме 1) и отдельных его фрагментов (в режиме 2) с типовой и повышенной разрешающей способностью изображения, гарантируется повышенная степень интеграции телевизионной камеры за счет выполнения «кольцевого» и матричного сенсоров по технологии КМОП, позволяющей разместить на их кристаллах и необходимое электронное «обрамление фотоприемников.

Однако следует признать, что в прототипе [1] необходимая одинаковая чувствительность для каналов телевизионного наблюдения, осуществляемая при помощи «кольцевого» и матричного фотоприемников, соблюдается при выполнении условия, когда площадь светочувствительного пиксела (Δ) матричного фотоприемника равна площади пиксела (Δ₁) первой строки «кольцевого» сенсора.

Поэтому недостаток прототипа - ограничение возможности использования в составе телевизионной камеры компьютерной системы «кольцевых» и матричных фотоприемников, не отвечающих этому условию, т.е. имеющих различие по площади светочувствительных пикселов (Δ₁) и (Δ) соответственно.

Задачей изобретения является расширение номенклатуры применяемой комплектации в составе телевизионной камеры системы путем использования в качестве сенсоров «кольцевых» и матричных фотоприемников, различающихся по площади светочувствительных пикселов (Δ₁) и (Δ).

Поставленная задача в заявляемом устройстве системы панорамного телевизионного наблюдения с повышенной разрешающей способностью решается тем, что, как и в устройстве прототипа [1], содержащем последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая БЭВИ, который осуществляет программным путем вставку «кольцевого» кадра телевизионной камеры в «прямоугольный» растр компьютерного монитора, причем в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью вход БЭВИ подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход БЭВИ - к выходу «сеть» сервера; в состав платы видео входит также БПКП, который заменяет БЭВИ при переводе компьютерной системы в режим последовательного обзора панорамного сюжета, причем число «прямоугольных» кадров m, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), при этом телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр изображения, содержит последовательно расположенные панорамный объектив и светоделитель, воспринимающий на входе выходное оптическое изображение панорамного объектива и обеспечивающий формирование на первом выходе оптического изображения одного из фрагментов «кольцевого» кадра, проецируемого на мишень матричного фотоприемника, а на втором выходе - оптического изображения всего «кольцевого» кадра, проецируемого на мишень «кольцевого» фотоприемника, причем сам светоделитель содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом полупрозрачного зеркала, а второй выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива; при этом «кольцевой» фотоприемник (сенсор) выполнен на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, и содержит на мишени линейки светочувствительных элементов (пикселов), расположенных вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, причем число светочувствительных пикселов в каждой «кольцевой» строке мишени одинаково, а их площадь от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии сенсора, причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K_m, а также встроенный АЦП, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки сенсора, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество «радиальных» шин видео - число пикселов в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: «кольцевой» регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор «кольцевой» строки; «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого «радиального» столбца, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора строчной развертки и обеспечивают передачу видеосигнала на выходе каждой «радиальной» шины видео на «кольцевую» шину видео, выход которой является выходом «Видео» «кольцевого» фотоприемника, причем коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки этого сенсора изменяется по соотношению (2), при этом второй сенсор телевизионной камеры - матричный фотоприемник, установленный на блоке наведения, как и «кольцевой» сенсор, выполнен по технологии КМОП, с аналогичной организацией по методу «координатная адресация», причем число его «прямоугольных» строк равно числу «кольцевых» строк у «кольцевого» сенсора, но в отличие от него, число пикселов в строке превышает показатель, равный числу пикселов в строке у «кольцевого» сенсора, деленному на m, а при одинаковой светочувствительной площади (Δ) всех активных пикселов мишени коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «прямоугольной»» строки мишени матричного сенсора сохраняется постоянным и неизменным по величине; причем блок наведения осуществляет плавное пространственное перемещение матричного фотоприемника в пределах круга в положение, отмечаемое на изображении в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью электронной отметкой, которая одновременно является геометрическим центром предлагаемого к рассмотрению отдельно взятого фрагмента «кольцевого» кадра, при этом управление блоком наведения выполняется по команде оператора системы с компьютера; управление режимом «Видео» тоже выполняется по команде оператора, которая подается на управляющий вход коммутатора-смесителя, первый информационный вход которого подключен к выходу «Видео» «кольцевого» фотоприемника, второй информационный вход коммутатора-смесителя - к выходу «Видео» матричного фотоприемника, а третий информационный вход коммутатора-смесителя - к выходу сигнала генератора электронной отметки, управляющий вход которого подключен к выходу датчика положения блока наведения, причем выход «Видео» «кольцевого» фотоприемника подключен к входу селектора синхроимпульсов, выход КСИ которого подключен к первому входу генератора электронной отметки и соответственно к входу синхронизации коммутатора-смесителя, выход ССИ селектора синхроимпульсов - ко второму входу генератора электронной отметки; а выход ССП селектора синхроимпульсов - к входу внешней синхронизации матричного сенсора, при этом, если по сравнению с прототипом [1], величина светочувствительной площади активного пиксела (Δ₁) первой строки «кольцевого» сенсора меньше показателя площади (Δ) в матричном фотоприемнике, то для выравнивания чувствительностей «кольцевого» и матричного каналов в телевизионной камере коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки «кольцевого» сенсора должен быть увеличен в Δ/Δ₁ раз, а его величина составляет:

а, если величина показателя Δ₁ в «кольцевом» сенсоре больше показателя Δ в матричном фотоприемнике, то для выравнивания чувствительностей «кольцевого» и матричного каналов должна быть увеличена в Δ₁/Δ раз величина коэффициента усиления K_m активного пиксела матричного сенсора при условии сохранения величины коэффициента K_m для «кольцевого» сенсора, определяемого по соотношению (3).

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

Важно отметить следующее. Светочувствительная площадь пикселов мишени «кольцевого» фотоприемника, как и для прототипа [1], от строки к строке различна. Это вызывается необходимостью для «кольцевого» сенсора, имеющего одинаковое число пикселов в каждой строке, выравнивания разрешающей способности в пределах кадра путем обеспечения одинаковой величины технологического (производственного) зазора между светочувствительными элементами.

Но в заявляемом решении телевизионной камеры компьютерной системы, в отличие от прототипа [1], могут быть применены в качестве «кольцевых» и матричных фотоприемников и другие сенсоры, которые не совпадают по площади светочувствительных пикселов (Δ₁) и (Δ) соответственно, а различаются по этим показателям.

В данном решении обеспечено и необходимое выравнивание чувствительности обоих каналов телевизионного наблюдения, использующих такие сенсоры.

Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемой компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения и на этом же чертеже - структурная схема телевизионной камеры в ее составе; на фиг. 2 приведена схемотехническая организация нового «кольцевого» фотоприемника; на фиг. 3 - подробности этой организации применительно к отдельно взятому «радиальному» столбцу; на фиг. 4 - оптическая схема светоделителя; на фиг. 5 - иллюстрация возможных положений мишени матричного фотоприемника на платформе блока наведения; на фиг. 6 - иллюстрация выполнения задачи по электрическому вписыванию изображения «кольцевого» кадра в прямоугольный растр компьютерного монитора; на фиг. 7 - пример выполнения электрической схемы блока наведения; на фиг. 8, по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива.

Заявляемая компьютерная система панорамного телевизионного наблюдения (см. фиг. 1) содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и сервер 2 (с установленной в нем платой видео), который является узлом локальной вычислительной сети, с возможностью подключения к ней двух или более персональных компьютеров в позиции 3.

В качестве сервера 2 использован системный блок компьютера 4 оператора системы.

Телевизионная камера 1, см. фиг. 1, содержит в своем составе панорамный объектив 1-1, «кольцевой» фотоприемник 1-2, светоделитель в позиции 1-3, матричный фотоприемник 1-4, блок наведения 1-5, коммутатор-смеситель 1-6, генератор 1-7 электронной отметки и селектор синхроимпульсов 1-8. Выход коммутатора-смесителя 1-6 является выходом «Видео» телевизионной камеры.

По линии связи одна команда управления телевизионной камерой с компьютера 4 оператора системы поступает на управляющий вход коммутатора-смесителя 1-6, затем другая команда - на блок наведения 1-5. Первый информационный вход блока 1-6 подключен к выходу «Видео» «кольцевого» фотоприемника 1-2, его второй информационный вход - к выходу «Видео» матричного фотоприемника 1-4, а его третий информационный вход - к выходу генератора электронной отметки 1-7. На управляющий вход генератора 1-7 электронной отметки подается сигнал с датчика положения блока наведения 1-5. Выход «Видео» «кольцевого» фотоприемника 1-2 подключен также к входу селектора 1-8 синхроимпульсов, выход КСИ которого подключен к первому входу генератора 1-7 и соответственно к входу синхронизации коммутатора-смесителя 1-6, выход ССИ - ко второму входу генератора 1-7, а выход ССП -к входу внешней синхронизации матричного фотоприемника 1-4.

Как и в прототипе [1], плата видео выполняет программным путем следующие операции:

- запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера в автоматическом режиме;

- электрическое вписывание изображения «кольцевого» кадра из оперативной памяти в «прямоугольный» растр компьютерного монитора в режиме 1 работы системы (наблюдения панорамного сюжета полностью).

Как и в прототипе [1], в заявляемом решении в режиме 2 работы системы предусмотрена возможность мониторинга фрагментов «кольцевого» кадра с повышенной разрешающей способностью при помощи матричного фотоприемника. Важно отметить, что здесь принципиально исключаются пропуски видеоинформации на последовательных стыках (между соседними «прямоугольными» кадрами), см. фиг. 5, т.к. эти участки могут быть просмотрены дополнительно.

Как и в прототипе [1], в компьютерной программе применительно к операции по реализации электрического вписывания «кольцевого» кадра в «прямоугольный» растр монитора обеспечено соблюдение последовательности передачи телевизионных строк.

При условии размещения вписываемого кадра в центральной части экрана монитора выполнение этой задачи представлено на фиг. 6.

Продемонстрируем заложенный в эту программы алгоритм, используя растровое положение точечных изображений от двух пикселов «А» и «В» для «кольцевого» фотоприемника 1-2.

Пусть, как показано на фиг. 2, пиксел «А» считывается первым в первой «кольцевой» строке сенсора, а пиксел «В» - точно посередине этой строки.

Тогда в «прямоугольном» растре компьютерного монитора (см. фиг. 4) изображение от пиксела «А» будет занимать положение центрального элемента его первой строки, а изображение от пиксела «В» - положение центрального элемента его последней строки.

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, совпадающим с аналогичным решением для прототипа, может быть предложен панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами [2].

Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75 - 80) градусов по углу места.

Наличие же пассивной (неинформативной) области в центре оптического кадра панорамного объектива, см. фиг. 8, вновь подтверждает целесообразность выбора формы фотоприемника 1-2, в пользу кругового кольца.

Светоделитель 1-3 телевизионной камеры предназначен для направления светового потока с выхода панорамного объектива 1-1 по двум каналам: на мишень матричного фотоприемника 1-4 (выход 1) и на мишень «кольцевого» фотоприемника (выход 2).

Здесь использована оптическая схема светоделителя 1-3, представленная на фиг. 4, которая была ранее экспериментально проверена и опубликована в описании к патенту РФ [3].

Светоделитель 1-3 содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало 1-3-1, коллективную линзу 1-3-2, отражающее зеркало 1-3-3 и дополнительный объектив 1-3-4, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала 1-3-1, первый выход светоделителя - с выходом полупрозрачного зеркала 1-3-1, а второй выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива 1-3-4.

Как и в прототипе [1], «кольцевой» фотоприемник 1-2 (см. фиг. 2) выполнен по технологии КМОП и содержит на общем кристалле «кольцевую» фотоприемную область (мишень) 1-2-1, «кольцевой» регистр 1-2-2 кадровой развертки, «кольцевой» коммутатор 1-2-3 видеосигналов и «кольцевой» мультиплексор 1-2-4.

Как показано на фиг. 2, активные пикселы на мишени фотоприемника объединены в столбцы, которые расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца.

Каждый активный пиксел мишени (см. фиг. 3) имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 1-2-1-1, усилитель 1-2-1-2 с коэффициентом усиления K_m для каждой текущей «кольцевой» строки и АЦП 1-2-1-3.

«Кольцевой» коммутатор 1-2-3 видеосигналов состоит из отдельных коммутаторов 1-2-3-1 видеосигнала, число которых соответствует числу активных пикселов в строке, объединенных «кольцевой» шиной видео 1-2-3-2.

Отметим, что показанная на фиг. 2 форма светочувствительной площади пиксела в виде прямоугольника, а на фиг. 3-латинской буквы L, - являются условными. На практике электроды зарядового накопления активных пикселов мишени сенсора, совпадающие с площадью их светочувствительной площади, могут быть выполнены совершенно иначе, например, с геометрической формой в виде части кругового кольца.

Управление АЦП 1-2-1-3 пиксела, как и всех остальных пикселов мишени, осуществляется с управляющего входа «кольцевого» мультиплексора 1-2-3. передающей сигнал управления с соответствующего выхода «кольцевого» регистра 1-2-2 кадровой развертки.

Видеосигнал с выхода каждого АЦП 1-2-1-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого «радиального» столбца передается на «радиальную» шину видео 1-2-1-5. Далее при помощи «своего» ключевого МОП-транзистора коммутатора 1-2-3-1, управляемого с одного из выходов мультиплексора 1-2-4, цифровой видеосигнал текущего пиксела передается на «кольцевую» шину видео 1-2-3-2, а затем транслируется по ней на выход фотоприемника.

То же самое формирование цифрового видеосигнала происходит и в пределах других радиально расположенных столбцов «кольцевой» мишени 1-2-1 каждого из двух фотоприемников сенсорного блока 1-2.

Отметим, что на фиг. 2 пунктирные стрелки показывают управление «кольцевыми» строчными шинами 1-2-1-4 фотоприемника со стороны «кольцевого» регистра 1-2-2 кадровой развертки. То, что здесь, как и на фиг. 3, изображены лишь четыре строчные шины является условностью чертежа. На самом деле число шин 1-2-1-4 соответствует показателю действительного числа «кольцевых» строк в заявляемом сенсоре.

Поясним дополнительно на фиг. 2 и другое. Стрелки с непрерывными линиями отмечают передачу сигнала изображения в сенсоре по «радиальным» шинам видео 1-2-1-5 в направлении к «кольцевому» коммутатору 1-2-3 видеосигналов.

В результате в «кольцевом» растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой «кольцевой» строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала фотоприемника.

Благодаря принятой для изготовления предлагаемого датчика видеосигнала технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник с АЦП для каждого активного пиксела, но и блоки цифровой развертки телевизионной камеры. Реализация такого решения обеспечивает существенное снижение общего энергопотребления телевизионной камеры.

Как и в прототипе [1], матричный фотоприемник 1-4 выполнен также по технологии КМОП и сохраняет все признаки прибора, реализованного по методу «координатная адресация» американскими специалистами в «нулевые» двухтысячные годы. Об этом сообщалось и подробно комментировалось в отечественной монографии [4, с. 67, рис. 1.21].

В той же работе [4, с. 65] отмечалось, что применение активного усилителя в пикселе позволяет осуществить в таком сенсоре режим зарядового, т.е. докоммутационного усиления видеосигнала, добиваясь величины эквивалентного преобразования «свет - сигнал» до 250 мкВ/е.

Именно этот результат явился решающей предпосылкой заявляемого решения, т.к. его можно распространить и на «кольцевой» сенсор, работающий совместно (параллельно) с матричным фотоприемником.

Очевидно, что по технологии КМОП на кристалле матричного фотоприемника 1-4 также успешно реализуется задача по формированию цифрового видеосигнала «прямоугольного» растра с пониженным энергопотреблением.

Как и в прототипе [1], в заявляемом решении блок наведения 1-5 осуществляет плавное круговое пространственное перемещение мишени матричного фотоприемника 1-4 по проекции «кольцевого» изображения панорамной сцены, формируемого на первом выходе светоделителя 1-3 (см. фиг. 4 и 5).

Электрическая схема блока 1-5 может быть реализована на базе технического решения, которое ранее было использовано в описании к патенту РФ [3].

Рассмотрим работу блока 1-5 (см. фиг. 7), электрическая схема которого выполнена на двух оптронах HSSR, обозначенных как VT1 и VT2.

Изделие HSSR-7111 согласно публикации [5] - однополюсный нормально разомкнутый оптрон с выходным каскадом на мощных МОП-транзисторах, имеет очень малое сопротивление во включенном состоянии и работает в точности как полупроводниковое реле.

Управление наведением осуществляется командами в соответствии с табл. 1, а подаваемые в телевизионную камеру с компьютера по двухпроводной линии связи сигналы управления блоком 1-5 наведения являются постоянными напряжениями положительной или отрицательной полярности величиной (5…12) Вольт, отсчитываемыми относительно провода «общий».

При отсутствии команд управления эти напряжений тоже отсутствуют. Поэтому оптроны VT1 и VT2 разомкнуты, а электродвигатель М обесточен.

Пусть по линии связи на блок 1-5 наведения поступает команда «Управление поворотом» - «Вперед». Тогда оптрон VT2 замыкается, а электродвигатель М подключается к источнику переменного напряжения ~U и начинает вращаться. Если же взамен этой команды поступит команда «Управление поворотом» - «Назад», то замкнется оптрон VT1, а электродвигатель М будет вращаться в другом направлении.

Концевые выключатели SF1 и SF2 обеспечивают границы позиционирования в пределах одного кругового оборота матричного фотоприемника 1-4.

Датчик положения выполнен на базе переменного резистора RP_n, имеющего линейную зависимость изменения сопротивления от угла поворота, а постоянный резистор R_n* служит для реализации настроечной работы по точному позиционированию. Движок резистора RP_n кинематически (через редуктор) связан с двигателем М.

Отметим, что сигнал датчика положения (напряжение U_n с потенциометра RP_n), поступает на управляющий вход генератора 1-7 электронной отметки, обеспечивая перемещение маркера на «кольцевом» изображении в соответствии с командами, поступающими с блока наведения 1-5.

Заявляемое устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с повышенной разрешающей способностью (см. фиг. 1) работает следующим образом.

Пусть величина светочувствительной площади активного пиксела (Δ₁) в «кольцевом» фотоприемнике 1-2 меньше аналогичного показателя (Δ) в матричном фотоприемнике 1-4, а коэффициент усиления K_m первой активной строки сенсора 1-2 установлен по умолчанию равным коэффициенту усиления K_m активного пиксела сенсора 1-4.

Тогда для выравнивания чувствительностей «кольцевого» и матричного каналов коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки «кольцевого» сенсора 1-2 должен быть увеличен в Δ/Δ₁ раз, а его величина по соотношению (6) должна составлять:

Во втором случае, когда величина показателя Δ₁ в «кольцевом» сенсоре 1-2 больше показателя Δ в матричном фотоприемнике 1-4, для выравнивания чувствительностей «кольцевого» и матричного каналов потребуется увеличение в Δ₁/Δ раз величины коэффициента усиления K_m активного пиксела матричного сенсора 1-4, но при условии сохранения величины коэффициента K_m, для «кольцевого» сенсора 1-2, определяемого по соотношению (3).

На практике такую оперативную «перестройку» коэффициентов усиления K_m для обоих сенсоров целесообразно осуществлять с использованием средств программирования.

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

Характеристика сигналов управления телевизионной камерой 1 с компьютера 4, сопутствующих команде «Выбор режима видео», представлена в табл. 2. Они являются типовыми логическими сигналами в уровнях ТТЛ.

При ее включении компьютерной системы она начинает действовать по умолчанию в режиме 1.

Тогда на мишень «кольцевого» фотоприемника 1-2 проецируется «кольцевое» оптическое изображение контролируемого панорамного сюжета, а на мишень матричного сенсора 1-4 - фрагмент этого изображения.

По выходу «Видео» сформированный цифровой телевизионный сигнал (ЦТС) по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на сервер 2, где выполняется запись видеоинформации в блок оперативной памяти на кадр.

В этом режиме оператор компьютера 4 наблюдает полное изображение панорамной сцены, формируемое «кольцевым» фотоприемником 1-2 и электронную отметку на нем, например «крест», который показывает текущее местоположение геометрического центра мишени матричного фотоприемника 1-4.

Будем считать, что наша электронная отметка («крест») априори располагается точно в середине «кольцевого» изображения по его ширине.

Когда оператор компьютера 4 затем выполнит переключение системы в режим 2, то ему будет предложено телевизионное изображение, которое формируется в данный момент матричным фотоприемником 1-4 при его текущем местоположении.

Для того, чтобы коммутация режимов работы системы происходила без внесения искажений в наблюдаемые изображения, фотоприемники телевизионной камеры работают в режиме Genlock, который обеспечивается путем подачи на вход внешней синхронизации матричного сенсора 1-4 сигнала синхронизации приемника (ССП) от «кольцевого» сенсора 1-2.

Дополнительно к этому в коммутаторе-смесителе 1-6 обеспечивается «привязка» временного процесса переключения команд к интервалу кадрового синхроимпульса (КСИ), вырабатываемого на выходе селектора 1-8 синхроимпульсов.

Если число светочувствительных пикселов в строке матричного фотоприемника 1-4 равно числу пикселов для «кольцевой» строки сенсора 1-2, получаемый выигрыш в разрешающей способности (четкости) этого фрагмента панорамного изображения, составит т раз.

Благодаря выравниванию в телевизионной камере чувствительностей «кольцевого» и матричного фотоприемников, этот выигрыш достигается без потерь отношения сигнал/шум наблюдаемого изображения.

После завершения записи этого изображения в дополнительный блок памяти сервера 2 оно также становится доступным для всех пользователей компьютеров 3.

Важно отметить, что благодаря светоделителю 1-3 и блоку наведения 1-5, может быть реализовано точное позиционирование мишени матричного фотоприемника 1-4 в пределах всей площади панорамного изображения, формируемого «кольцевым» фотоприемником 1-2, т.е. без потерь его отдельных участков.

В результате успешно решается и поставленная задача изобретения по расширению номенклатуры применяемой комплектации в составе телевизионной камеры системы путем использования в качестве сенсоров «кольцевых» и матричных фотоприемников, имеющих различие по размеру площади светочувствительных пикселов и (Δ₁) и (Δ) соответственно.

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

Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2723640. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с повышенной разрешающей способностью. / В.М. Смелков // Б.И. - 2020. - №17.

2. Патент РФ №2185645. МПК G02B13/06, G02B17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002. - №20.

3. Патент РФ №2504100. H04N 5/225. Телевизионная система с селективным масштабированием изображения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2014. - №1.

4. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К. и Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле. Под ред. А.А. Умбиталиева и А.К. Цыцулина. - М.: «Радио и связь», 2006.

5. www.avagotech.com.

Claims

1. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с повышенной разрешающей способностью, содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, 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 электронного вписывания изображения (БЭВИ), который осуществляет программным путем вложение (вставку) «кольцевого» кадра телевизионной камеры в «прямоугольный» растр компьютерного монитора, причем в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью вход БЭВИ подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход БЭВИ - к выходу «сеть» сервера; в состав платы видео входит также блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), который заменяет БЭВИ при переводе компьютерной системы в режим последовательного обзора панорамного сюжета, причем число «прямоугольных» кадров m, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:

при этом телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр изображения, содержит последовательно расположенные панорамный объектив и светоделитель, воспринимающий на входе выходное оптическое изображение панорамного объектива и обеспечивающий формирование на первом выходе оптического изображения одного из фрагментов «кольцевого» кадра, проецируемого на мишень матричного фотоприемника, а на втором выходе - оптического изображения всего «кольцевого» кадра, проецируемого на мишень «кольцевого» фотоприемника, причем сам светоделитель содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом полупрозрачного зеркала, а второй выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива; при этом «кольцевой» фотоприемник (сенсор) выполнен на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, и содержит на мишени линейки светочувствительных элементов (пикселов), расположенных вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, причем число светочувствительных пикселов в каждой «кольцевой» строке мишени одинаково, а их площадь от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии сенсора, причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K_m, а также встроенный АЦП, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки сенсора, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество «радиальных» шин видео - число пикселов в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: «кольцевой» регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор «кольцевой» строки; «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого «радиального» столбца, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора строчной развертки и обеспечивают передачу видеосигнала на выходе каждой «радиальной» шины видео на «кольцевую» шину видео, выход которой является выходом «Видео» «кольцевого» фотоприемника, причем коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки этого сенсора изменяется по соотношению:

где Δ₁ и Δ_m - соответственно светочувствительная площадь активного пиксела для первой и текущей «кольцевой» строки считывания в «кольцевом» сенсоре,

β - коэффициент, определяющий отношение освещенности сцены на первом выходе светоделителя к его освещенности на втором выходе,

при этом второй сенсор телевизионной камеры - матричный фотоприемник, установленный на блоке наведения, как и «кольцевой» сенсор, выполнен по технологии КМОП, с аналогичной организацией по методу «координатная адресация», причем число его «прямоугольных» строк равно числу «кольцевых» строк у «кольцевого» сенсора, но в отличие от него число пикселов в строке превышает показатель, равный числу пикселов в строке у «кольцевого» сенсора, деленному на m, а при одинаковой светочувствительной площади (Δ) всех активных пикселов мишени коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «прямоугольной»» строки мишени матричного сенсора сохраняется постоянным и неизменным по величине; причем блок наведения осуществляет плавное пространственное перемещение матричного фотоприемника в пределах круга в положение, отмечаемое на изображении в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью электронной отметкой, которая одновременно является геометрическим центром предлагаемого к рассмотрению отдельно взятого фрагмента «кольцевого» кадра, при этом управление блоком наведения выполняется по команде оператора системы с компьютера; управление режимом «Видео» тоже выполняется по команде оператора, которая подается на управляющий вход коммутатора-смесителя, выход которого является выходом «Видео» телевизионной камеры, первый информационный вход коммутатора-смесителя подключен к выходу «Видео» «кольцевого» фотоприемника, второй информационный вход коммутатора-смесителя - к выходу «Видео» матричного фотоприемника, а третий информационный вход коммутатора-смесителя - к выходу сигнала генератора электронной отметки, управляющий вход которого подключен к выходу датчика положения блока наведения, причем выход «Видео» «кольцевого» фотоприемника подключен к входу селектора синхроимпульсов, выход КСИ которого подключен к первому входу генератора электронной отметки и соответственно к входу синхронизации коммутатора-смесителя, выход ССИ селектора синхроимпульсов - ко второму входу генератора электронной отметки; а выход ССП селектора синхроимпульсов - к входу внешней синхронизации матричного сенсора, при этом в качестве сервера компьютерной системы используется системный блок одного из компьютерных пользователей, отличающееся тем, что если величина светочувствительной площади активного пиксела (Δ₁) первой строки «кольцевого» сенсора меньше показателя площади (Δ) в матричном фотоприемнике, то для выравнивания чувствительностей «кольцевого» и матричного каналов в телевизионной камере коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки «кольцевого» сенсора должен быть увеличен в Δ/Δ₁ раз, а его величина составляет:

где D/ƒ - относительное отверстие второго объектива светоделителя;

а если величина показателя Δ₁ в «кольцевом» сенсоре больше показателя Δ в матричном фотоприемнике, то для выравнивания чувствительностей «кольцевого» и матричного каналов должна быть увеличена в Δ₁/Δ раз величина коэффициента усиления K_m активного пиксела матричного сенсора при условии сохранения величины коэффициента K_m для «кольцевого» сенсора, определяемого по соотношению:

2. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что в «кольцевом» фотоприемнике телевизионной камеры электроды зарядового накопления активных пикселов мишени сенсора, совпадающие с площадью их светочувствительной площади, выполнены с геометрической формой в виде части кругового кольца.