Способ и устройство оптико-электронного кругового обзора

Изобретение относится к оптико-электронному обнаружению движущихся объектов. Достигаемый технический результат - повышение метрологической эффективности за счет автоматизации кругового панорамного видеонаблюдения с регламентированной точностью нормируемой меры фазы угла поворота в азимутальной плоскости. Указанный результат достигается тем, что в способе оптико-электронного кругового обзора, включающем прием ИК- и оптического излучения с возможностью вращения в азимутальной плоскости по многофазному углу поворота, формирование сигнала наличия излучения и его направления в азимутальной плоскости, оптическое излучение изображения регистрируют видеосъемкой синхронно с приемом ИК-излучения, размещаемого на объекте видеосъемки за счет сканирования в азимутальной плоскости соответствующего угла поворота фазы тактовыми импульсами фиксированной частоты. Сканирование угла поворота фазы преобразуют в код пропорционально тактовым импульсам от начала регистрации реверсивного приращения фазы до его обнуления за счет измерения кода N_j последовательным приближением с нормированным значением N_0j по условию: если измеряемый код N_j больше нормируемого N_0j, последний увеличивают суммированием импульсов, в противном случае - их вычитанием, при тождественности кодов N_j=N_0j число импульсов не изменяют, а нормируемый код принимают за измеренный. В устройстве оптико-электронного кругового обзора, содержащем блоки приема ИК- и оптического излучения с возможностью вращения в азимутальной плоскости приводом с датчиком угла поворота фазы в виде секторно-кольцевой многофазной структуры и формирователем сигнала наличия излучения и его направления в азимутальной плоскости. Приемником оптического излучения служит видеокамера, установленная на сканер блока приема ИК-излучения, организующего вращение в азимутальной плоскости приводом с ИК-датчиком угла поворота фазы, расположенным соосно между подвижной и неподвижной секторно-кольцевыми структурами сканера. Приемником ИК-излучения служит фотодиодная матрица, включенная по схеме многофазного мостового коммутатора, состоящего из параллельного соединения двух делителей напряжения, организованных из последовательного включения резистора и фазных фотодиодов матрицы, причем входная диагональ многофазного мостового коммутатора служит для подключения источника энергии, а его выходная диагональ нагружена на исполнительный механизм привода сканера устройства, формирователь сигнала наличия излучения и его направления в азимутальной плоскости выполнен на ИК-светодиоде с автономным источником питания в форме декоративного исполнения, например значка, размещаемого на объекте съемки. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемые изобретения относятся к области приборостроения, измерительной и информационной техники, точнее к оптико-электронному обнаружению движущихся объектов.

Известен способ видеонаблюдения с использованием домашнего видеомагнитофона [см. заявку на патент (РФ) №2006114896, кл. H04N 5/765 от 20.11.2007 г., Бюл. 32], включающий 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 1с клеммы записи или отмены записи видеомагнитофона «Rec» или «Stop» соответственно и тем самым включающее запись на период записи или отключающее ее.

Недостатками данного способа являются относительная сложность и недостаточная информативность видеонаблюдения.

Известно устройство видеонаблюдения, содержащее первичный импульсный преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, усилитель мощности, электрический привод (см., например, Высокоскоростные купольные камеры. - ИТ портал techlabs. by, 2009 г.).

Недостатками данного устройства являются сложность и недостаточная информативность видеонаблюдения при круговом обзоре.

За прототип приняты способ и устройство оптико-электронного кругового обзора (см. патент №2321016 (РФ), кл. G01S 3/78, 2008 г., БИ №9, ч.4), 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 и 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 формирователь сигнала наличия лазерного излучения и его направления в азимутальной плоскости.

Недостатками прототипов являются избыточная сложность и недостаточная информативность видеонаблюдения.

Технической задачей способа и устройства оптико-электронного кругового обзора является упрощение и повышение информативности видеонаблюдения.

Поставленная техническая задача достигается тем, что:

1. В способе оптико-электронного кругового обзора, включающем прием ИК- и оптического излучения с возможностью вращения в азимутальной плоскости по многофазному углу поворота, формирование сигнала наличия излучения и его направления в азимутальной плоскости, в отличие от прототипа, оптическое излучение изображения регистрируют видеосъемкой синхронно с приемом ИК-излучения, размещаемого на объекте видеосъемки за счет сканирования в азимутальной плоскости соответствующего угла поворота фазы тактовыми импульсами фиксированной частоты.

2. В способе по п.1, в отличие от прототипа, сканирование угла поворота фазы преобразуют в код пропорционально тактовым импульсам от начала регистрации реверсивного приращения фазы до его обнуления за счет измерения кода N_j, последовательным приближением с нормированным значением N_0j по условию: если измеряемый код N_j больше нормируемого N_0j, последний увеличивают суммированием импульсов, в противном случае - их вычитанием, при тождественности кодов N_j=N_0j число импульсов не изменяют, а нормируемый код принимают за измеренный.

3. В устройстве оптико-электронного кругового обзора, содержащем блоки приема ИК- и оптического излучения с возможностью вращения в азимуталь ной плоскости приводом с датчиком угла поворота фазы в виде секторно-кольцевой многофазной структуры и формирователем сигнала наличия излучения и его направления в азимутальной плоскости, в отличие от прототипа, приемником оптического излучения служит видеокамера, водруженная на сканер блока приема ИК-излучения, организующего вращение в азимутальной плоскости приводом с ИК-датчиком угла поворота фазы, расположенным соосно между подвижной и неподвижной секторно-кольцевыми структурами сканера.

4. В устройстве по п.3., в отличие от прототипа, приемником ИК- излучения служит фотодиодная матрица, включенная по схеме многофазного мостового коммутатора, состоящего из параллельного соединения двух делителей напряжения, организованных из последовательного включения резистора и фазных фотодиодов матрицы, причем входная диагональ многофазного мостового коммутатора служит для подключения источника энергии, а его выходная диагональ нагружена на исполнительный механизм привода сканера устройства.

5. В устройстве по п.3, в отличие от прототипа, формирователь сигнала наличия излучения и его направления в азимутальной плоскости выполнен на ИК-светодиоде с автономным источником питания в форме декоративного исполнения, например значка, размещаемого на объекте съемки.

Сущность способа и устройства поясняется фиг.1-4 на уровне временных диаграмм фиг.1 и погрешности фиг.2, кинематических фиг.3 и структурной фиг.4 схем.

Предлагаемый способ (фиг.1) оптико-электронного кругового обзора включает прием ИК и оптического излучения с возможностью вращения видеокамеры в азимутальной плоскости по многофазному углу φ поворота видеоизображения. Оптическое излучение изображения регистрируют видеосъемкой. Вращение на угол φ осуществляется синхронно с приемом ИК-излучения детектором движения на i сегментов, , нормированных по фазе φ₀=π/m угла поворота, т.е. φ=iφ₀ (см. фиг.3, в). Детектор движения регистрирует излучение от ИК-генератора D размещаемого на объекте видеосъемки. Вращение организуют приводом с ИК-детектором движения в азимутальной плоскости пропорционально углу поворота фазы φ тактовыми импульсами частоты F₀ (фиг.1,а).

Частота F₀ определяется минимальным кодом N₀=1 за период Т₀:

F₀≥N₀/T₀=1/0,1=10 Гц

Сканирование угла поворота фазы φ_i преобразуют в код N пропорционально тактовым импульсам частотой F₀ за интервал времени τ_j (см. фиг.1). Это соответствует времени от начала регистрации реверсивного приращения фазы Δφ_j до его обнуления последовательным приближением нормированного значения N_0j к измеряемому значению N_j по условию

Если измеряемый код N_j больше нормируемого N_0j, то его увеличивают суммированием импульсов N_0j=N_0j+ΔN_j. Когда N_j меньше нормы N_0j, последний уменьшают вычитанием импульсов N_0j=N_0j-ΔN_j. При тождественности кодов N_j=N_0j число импульсов не изменяют, а нормированный код принимают за измеренный. Алгоритм последовательного приближения соответствует алгебраическому суммированию реверсивных приращений ΔN_j=N_j-N₀.

Предлагаемый способ реализует устройство оптико-электронного кругового обзора (см. фиг.3) с использованием видеокамеры (1), включающей видеомагнитофон, ИК-детектор движения (2) объекта и привод (3). Видеокамера 1 водружена на сканер (см. фиг.3, в) ИК-детектора движения 2, организующего вращение в азимутальной плоскости от генератора сигнала наличия излучения и его направления (ИК-генератора излучения). Генератор выполнен на ИК-светодиоде D с автономным источником питания в декоративном исполнении, например в форме значка (пуговицы, брелка и т.д.), размещаемого на объекте 4 видеосъемки. Вращение сканера детектора движения 2 осуществляют приводом 3 угла поворота фазы φ, который расположен соосно с ИК-детектором движения 2 и видеокамерой 1. Привод 3 с детектором движения 2 размещены между подвижной и неподвижной секторно-кольцевыми структурами сканера. При этом исполнительный механизм привода 3 закреплен на неподвижном кольце сканера 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 детектора движения 2 (см. фиг.3, в).

Приемником ИК детектора движения 2 служит фотодиодная матрица, включенная по схеме многофазного мостового коммутатора (фиг.3, а), состоящего из параллельного соединения двух делителей напряжения. Делители организованы из последовательного включения резистора и фазных фотодиодов D_j, D_-j матрицы. Входная диагональ многофазного мостового коммутатора служит для подключения источника энергии Е. Выходная диагональ коммутатора (см. фиг.3, а) нагружена на исполнительный механизм привода 3 сканера устройства.

В исходном состоянии (см. фиг.3, в) объектив камеры 1 расположен по оси, перпендикулярной объекту 4 за счет приема ИК-излучения детектором движения 2 от ИК-светодиода D, закрепленного на объекте 4 видеонаблюдения. При перемещении объекта 4 вправо (или влево) на угол φ=iφ₀ в детекторе движения 2 формируется код N, пропорциональный i-му сектору многофазного угла φ. В выходной диагонали мостового коммутатора ток течет (фиг.3, г) через исполнительный механизм привода 3 в прямом или инверсном включении в зависимости от освещенных диодов D_j, D_-j детектора движения 2. Исполнительный механизм привода 3 поворачивает на угол φ сканер 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 3 с ИК-детектором движения 2 функционирует аналогично, фиксируя в коде N многофазный угол поворота φ.

Сканирование угла поворота фазы φ_i преобразуют в код N пропорционально тактовым импульсам частотой F₀ за интервал времени τ_j (см. фиг.1). Это соответствует времени от начала регистрации реверсивного приращения фазы Δφ_j (фиг.1, б) до его обнуления. Алгоритм последовательного приближения соответствует алгебраическому суммированию 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 в соответствии с алгоритмом 1,а может быть представлена как

Учитывая, что код N=F₀t, т.е. произведение тактовой частоты F₀ на время t, связанными с фиксированными интервалами T₀ числом j импульсов, находим для последовательного приближения (фиг.1) ΔN_j=N₀.

Соответственно сумма приращений равна

т.е. пропорциональна числу i импульсов. Графики на фиг.1, б, в иллюстрируют изменение кода на интервалах t_j приращения

;

и реверса с 3 до -2, для :

,

и , причем итоговая сумма N_-2 равна их разнице

.

Максимальный код N_m определяется суммой - m i-тых сегментов кольцевого сканера 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 (см. фиг.3, в) 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 детектора движения (ДД) 2 (Фиг.4) поясняет способ видеонаблюдения. ДД 2 многофазного угла φ поворота содержит приемник излучения из ИК-фото диодной матрицы с 2m+1 фотодиодами 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, a ось вращения через фотодиод D₀ соосна с окуляром видеокамеры 1. Соответственно ось перпендикулярна ИК-светодиоду D, закрепленному на объекте 4, а также наблюдаемому объекту 4 видеосъемки. Поэтому выход ИК-фотодиода D₀ связан через дополнительное сопротивление R в диагональ питания с нулевым входом детектора 2. Выходная диагональ мостового коммутатора организована плечами суммы «+» и вычитания «-», объединенными каждый с m фотодиодами D_j и D_-j ИК-матрицы детектора движения 2 для регистрации многофазных углов φ правого или левого поворота объекта 4 видеосъемки.

В исходном состоянии (см. фиг.3, б, в) объект 4 находится перпендикулярно оси видеосъемки видеокамеры 1, при этом в выходной диагонали коммутатора детектора движения 2 ток отсутствует (фиг.3, г), т.к. от излучателя ИК-светодиода D, расположенного на объекте 4 видеонаблюдения, лучи воздействуют на нулевой D₀ фотодиод. В исходном состоянии код N детектора 2 равен нулю. При повороте объекта 4 вправо, например на 3 сегмента угла поворота φ=3φ₀, код N=3N₀, а нормированный код N_0j=0N₀ (см. фиг.3, в). Лучи от светодиода D объекта 4 регистрируются D₃ фотодиодом, что увеличивает суммарный код детектора 2 в течение j тактов импульсами F₀. За счет последовательного приближения нормируемого кода N_0j к текущему N_j сканер (см. фиг.3, в) вращается вправо от j=3-го сегмента к нулевому (см. фиг.3, б), а код детектора 2 увеличивается

.

Когда нулевой сегмент с фотодиодом D_o окажется в азимутальной плоскости на оси, перпендикулярной ИК-светодиоду D объекта 4, детектор 2 привода 3 отключается, а объект 4 видеосъемки вновь оказывается перед объективом видеокамеры 1 на оси, перпендикулярной видеосъемке. Аналогично детектор движения 2 отслеживает левый поворот за счет включения D_-j фотодиодов, что соответствует уменьшению кода в детекторе 2 импульсами частоты F₀. Следовательно, ДД 2 регистрирует 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 предлагаемое решение в сравнении с прототипом по метрологической эффективности, а именно точности (четкости) изображения объекта видеосъемки, которое определяется погрешностью фокусного расстояния (см. фиг.3).

Фокусное расстояние от центра О объектива до объекта F равно кратчайшему расстоянию OF окружности радиусом r для объекта, находящегося в фокусе видеосъемки. При перемещении объекта вправо (или влево), т.е. по касательной к фокусному расстоянию r, его радиус увеличивается до окружности с радиусом R - отрезок OF′. Погрешность ε изменения фокусного расстояния определяется относительным изменением радиусов Δ=r-R к нормированному фокусу r исходной окружности

.

Отношение R/r радиусов окружностей несложно найти из соотношения сторон подобных треугольников FOF′ и SOR с равным углом α, соответствующим половине фазы φ/2 угла φ поворота в азимутальной плоскости перемещения объекта видеонаблюдения:

,

т.к. катет OS прямоугольного треугольника SOR находится из определения cosα=OS/r, a OS/r=r/R следует из подобия треугольников. За нормированную фазу φ₀ целесообразно принять угол поворота с погрешностью фокусного расстояния, например 1%, т.е. ε=0,01 или φ₀=φ(0,01). Нормированную фазу φ₀ также можно определить из половины окружности с углом φ_m=π=180° и максимального числа m сегментов i

φ₀=π/2m.

Для многофазного угла поворота φ=i·φ₀ из i сегментов, где , погрешность фокусного расстояния оценивается зависимостью

ε=1-1/cos(iπ/2m).

Оценка погрешности ε(φ) с нормированной фазой φ₀/2=8° и максимумом m=11 сегментов сведена в таблицу для числа сегментов.

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	0,76	0,56	0,44	0,31	0,17	0,035
ε, %	1,0	4,0	9,5	18	31	50	79	128	224	476	2765
φ0, °	16	32	48	64	80	96	112	128	144	160	176
εr, %	1,0	4,0	8,7	15	23,4	33	44	56	69	83	96,5

Нижняя строка таблицы отражает погрешность ε_r фокусировки при перемещении объекта по кругу с радиусом r фокусного расстояния, которой соответствует оценка

ε_r=1-cos(iπ/2m).

Погрешности ε и ε_r совпадают при небольших (стандартных) углах и расходятся при широкофокусных углах поворота, при этом погрешность ε_r приближается к 1 (100%) для , а погрешность ε при увеличении или уменьшении радиуса r фокуса объекта в k-раз превышает 1 и изменяется в диапазоне 1,28-27,7 для сегментов .

Таким образом, предлагаемые способ и устройство оптико-электронного кругового обзора, 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.

1. Способ оптико-электронного кругового обзора, включающий прием ИК- и оптического излучения с возможностью вращения в азимутальной плоскости по многофазному углу поворота, формирование сигнала наличия излучения и его направления в азимутальной плоскости, отличающийся тем, что оптическое излучение изображения регистрируют видеосъемкой синхронно с приемом ИК-излучения, размещаемого на объекте видеосъемки за счет сканирования в азимутальной плоскости соответствующего угла поворота фазы тактовыми импульсами фиксированной частоты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сканирование угла поворота фазы преобразуют в код пропорционально тактовым импульсам от начала регистрации реверсивного приращения фазы до его обнуления за счет измерения кода N_j последовательным приближением с нормированным значением N_0j по условию, если измеряемый код N_j больше нормируемого N_0j, то последний увеличивают суммированием импульсов, в противном случае - их вычитанием, при тождественности кодов N_j=N_0j число импульсов не изменяют, а нормируемый код принимают за измеренный.

3. Устройство оптико-электронного кругового обзора, содержащее блоки приема ИК- и оптического излучения с возможностью вращения в азимутальной плоскости приводом с датчиком угла поворота фазы в виде секторно-кольцевой многофазной структуры и формирователем сигнала наличия излучения и его направления в азимутальной плоскости, отличающееся тем, что приемником оптического излучения служит видеокамера, водруженная на сканер блока приема ИК-излучения, организующего вращение в азимутальной плоскости приводом с ИК-датчиком угла поворота фазы, расположенным соосно между подвижной и неподвижной секторно-кольцевыми структурами сканера.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что приемником ИК-излучения служит фотодиодная матрица, включенная по схеме многофазного мостового коммутатора, состоящего из параллельного соединения двух делителей напряжения, организованных из последовательного включения резистора и фазных фотодиодов матрицы, причем входная диагональ многофазного мостового коммутатора служит для подключения источника энергии, а его выходная диагональ нагружена на исполнительный механизм привода сканера устройства.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что формирователь сигнала наличия излучения и его направления в азимутальной плоскости выполнен на ИК-светодиоде с автономным источником питания в форме декоративного исполнения, например значка, размещаемого на объекте съемки.