Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с селективным масштабированием изображения

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 предоставление возможности селективного масштабирования изображения для одновременно наблюдаемой полностью панорамной сцены. Результат достигается тем, что телевизионная камера содержит два сенсора: «кольцевой» и «прямоугольный» (матричный) установленный на блоке наведения, а также светоделитель, расположенный на выходе панорамного объектива, селектор синхроимпульсов, генератор электронной отметки «крест», смеситель и блок наведения, который осуществляет плавное пространственное перемещение матричного фотоприемника в пределах круга в положение, отмечаемое на изображении в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью электронной отметкой «крест», которая одновременно является геометрическим центром предлагаемого к рассмотрению отдельно взятого фрагмента «кольцевого» кадра. При этом на экране компьютерного монитора воспроизводится комбинированное изображение, которое по отношению к первоначально предъявляемому изображению состоит из априори выбранного участка с необходимым увеличением (масштабированием) и остальной его части с неизменным масштабом. 2 з.п. ф-лы, 8 ил., 2 табл.

 

Предполагаемое 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). А на экране компьютерного монитора воспроизводится комбинированное изображение, которое по отношению к первоначально предъявляемому изображению состоит из априори выбранного участка с необходимым увеличением (масштабированием) и остальной его части с неизменным масштабом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, при этом 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 1 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 2 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 и оптически связанные панорамный объектив и «кольцевой» фотоприемник (сенсор), который 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 (Δ) 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» фотоприемника, причем изменение коэффициента усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки сенсора выполняется 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.

В прототипе [1] обеспечивается возможность наблюдения панорамного сюжета полностью (в режиме 1) и отдельных его фрагментов (в режиме 2). При этом гарантируется повышенная степень интеграции телевизионной камеры за счет выполнения «кольцевого» сенсора по технологии КМОП, позволяющей разместить на его кристалле и необходимое электронное «обрамление фотоприемника.

Недостаток прототипа - отсутствие возможности визуального контроля выбираемых участков панорамного изображения в увеличенном масштабе одновременно с наблюдением панорамного сцены полностью по методу селективного масштабирования.

Задачей изобретения является предоставление возможности селективного масштабирования изображения для одновременно наблюдаемой полностью панорамной сцены.

Поставленная задача в заявляемом устройстве системы панорамного телевизионного наблюдения 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; при этом телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр изображения, содержит последовательно расположенные панорамный объектив и «кольцевой» фотоприемник (сенсор), который выполнен на кристалле, изготовленном по технологии КМОП и содержит на мишени линейки светочувствительных 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 (Δ) 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 «кольцевого» фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование на выходе «Видео» «кольцевого» фотоприемника напряжения цифрового «кольцевого» 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» фотоприемника, а изменение коэффициента усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки «кольцевого» сенсора обеспечивает одинаковую величину считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения, при этом по сравнению с прототипом в состав телевизионной камеры дополнительно введены матричный фотоприемник, установленный на блоке наведения, светоделитель, расположенный на выходе панорамного объектива, селектор синхроимпульсов, генератор электронной отметки «крест» и смеситель, выход которого является выходом «Видео 1» телевизионной камеры, при этом матричный фотоприемник, 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, 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 выход цифрового видеосигнала матричного фотоприемника является выходом «Видео 2» телевизионной камеры; светоделитель, воспринимающий на входе выходное оптическое изображение панорамного объектива и обеспечивающий формирование на первом выходе оптического изображения всего «кольцевого» кадра, проецируемого на мишень «кольцевого» фотоприемника, а на втором выходе - оптического изображения одного из фрагментов «кольцевого» кадра, проецируемого на мишень матричного фотоприемника, причем сам светоделитель содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и объектив, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом его объектива, а второй выход светоделителя - с выходом полупрозрачного зеркала; блок наведения осуществляет плавное пространственное перемещение матричного фотоприемника в пределах круга в положение, отмечаемое на изображении в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью электронной отметкой «крест», которая одновременно является геометрическим центром предлагаемого к рассмотрению отдельно взятого фрагмента «кольцевого» кадра, при этом управление блоком наведения телевизионной камеры выполняется по команде оператора системы с компьютера, системный блок которого является сервером заявляемой телевизионной системы; первый информационный вход смесителя подключен к выходу «Видео» «кольцевого» фотоприемника, а второй информационный вход 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, 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 объектива светоделителя;

τ₁ - коэффициент пропускания объектива светоделителя;

τ₂ - коэффициент пропускания коллективной линзы светоделителя;

при этом в качестве сервера компьютерной системы используется системный блок одного из компьютерных пользователей, а сам он является оператором этой системы.

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

при этом плата видео, установленная в разъем расширения на материнской плате сервера, предназначена для ввода/вывода, как первого, так и второго цифровых видеосигналов («Видео 1» и «Видео 2» соответственно), формирования сигнала «окошко», выполнения коммутации видеосигналов «Видео 1» и «Видео 2» по сигналу «окошко» с формированием комбинированного изображения, выход которого является выходом видеосигнала телевизионной системы.

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 при этом, как в заявляемом решении, так и в прототипе [1], не происходит межстрочного нарушения чувствительности сенсора по следующим обстоятельствам.

Параметр считывающей апертуры для всех пикселов каждой текущей строки «кольцевого» кадра в предлагаемом решении определяется произведением трех величин: коэффициента усиления K_m пиксела, его светочувствительной площади Δ_m и коэффициента β.

Как следует из соотношений (3) и (4), этот показатель остается постоянным (неизменным) для всех светочувствительных пикселов «кольцевого» фотоприемника. Не меняется и величина шумовой «дорожки» для каждого активного пиксела этого сенсора, что является обязательным условием для реализации чувствительности фотоприемника и его отношения сигнал/шум.

Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемой компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с селективным масштабированием и на этом же чертеже - структурная схема телевизионной камеры в ее составе; на фиг. 2 приведена схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника; на фиг. 3 - подробности этой организации применительно к отдельно взятому «радиальному» столбцу; на фиг. 4 - схемотехническая организация матричного фотоприемника; на фиг. 5 - пример выполнения электрической схемы блока наведения; на фиг. 6 - иллюстрация выполнения задачи по электрическому вписыванию изображения «кольцевого» кадра в прямоугольный растр компьютерного монитора; на фиг. 7 - иллюстрация формирования комбинированного изображения на экране компьютерного монитора; 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, смеситель 1-6, генератор 1-7 электронной отметки «крест» и селектор синхроимпульсов 1-8. Выход смесителя 1-6 является выходом «Видео 1» телевизионной камеры.

По линии связи команда управления телевизионной камерой с компьютера 4 оператора системы поступает 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 генератора 1-7 электронной отметки. 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, выход ССИ - ко второму входу генератора 1-7, а выход ССП - к входу внешней синхронизации матричного фотоприемника 1-4. Выход «Видео» матричного фотоприемника 1-4 является выходом «Видео 2» телевизионной камеры.

Как и в прототипе [1], плата видео в сервере 2 выполняет программным путем электрическое вписывание изображения «кольцевого» кадра из оперативной памяти в «прямоугольный» растр компьютерного монитора.

Следует отметить, что в компьютерной программе применительно к операции по реализации электрического вписывания «кольцевого» кадра в «прямоугольный» растр монитора должно быть реализовано 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. 6) изображение от пиксела «А» будет занимать положение центрального элемента его первой строки, а изображение от пиксела «В» - положение центрального элемента его последней строки.

В заявляемом решении компьютерной системы предусмотрена возможность мониторинга фрагментов «кольцевого» кадра при помощи матричного фотоприемника. По сравнению с прототипом [1], здесь принципиально исключаются пропуски видеоинформации на последовательных стыках (между соседними «прямоугольными» кадрами), т.к. эти участки могут быть просмотрены дополнительно.

Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры, как и в прототипе [1], 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 пассивной (неинформативной) области в центре оптического кадра панорамного объектива, см. фиг. 8, 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 «кольцевого» фотоприемника (выход 1) и на мишень матричного фотоприемника 1-4 (выход 2).

Здесь использована оптическая схема светоделителя, 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 дополнительного объектива 1-3-4, а второй выход светоделителя - с выходом полупрозрачного зеркала 1-3-1.

«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.

Как и в прототипе [1], 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.

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

Матричный сенсор 1-4 (см. фиг. 4) содержит на общем кристалле фотоприемную область (мишень) в позиции 5, регистр кадровой развертки в позиции 6, коммутатор видеосигналов в позиции 8 и мультиплексор строчной развертки в позиции 7.

Активные пикселы на мишени сенсора объединены в столбцы вертикальной шиной видео 5-5.

Каждый активный пиксел мишени имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 5-1, усилитель 5-2 с коэффициентом усиления K₁ и АЦП 5-3. Коммутатор видеосигналов 8 состоит из отдельных коммутаторов 8-1, число которых соответствует числу активных пикселов в строке, объединенных горизонтальной шиной видео 5-6.

Управление АЦП 5-3 пиксела для каждой строки фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 5-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода регистра 6 кадровой развертки.

Видеосигнал с выхода каждого АЦП 5-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого столбца передается на горизонтальную шину видео 5-6. Для этого при помощи ключевого МОП-транзистора коммутатора 8-1, управляемого с одного из выходов мультиплексора 7, цифровой видеосигнал текущего пиксела передается на горизонтальную шину видео 5-6, а затем транслируется по ней на выход сенсора.

То же самое формирование цифрового видеосигнала происходит и в пределах других столбцов мишени 7 данного сенсора.

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

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.

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. 5), электрическая схема которого выполнена на двух оптронах HSSR, обозначенных как VT1 и VT2.

Изделие HSSR-7111 согласно [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.

Будем считать, что управление наведением осуществляется командами в соответствии с табл. 1.

Отметим, что подаваемые в телевизионную камеру с компьютера по двухпроводной линии связи сигналы управления блоком 1-5 наведения являются постоянными напряжениями положительной или отрицательной полярности. Величина этих напряжений (5…12) вольт отсчитывается относительно провода «общий».

При отсутствии команд управления данные напряжения тоже отсутствуют. Поэтому оптроны VT1 H.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 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 1-5.

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 «крест», обеспечивая перемещение маркера на «кольцевом» изображении в соответствии с командами, поступающими с блока наведения 1-5.

Характеристика сигналов управления, сопутствующих команде «Управление наведением», была представлена выше (см. табл. 1).

Характеристика сигналов управления, сопутствующих команде «Выбор режима видео», представлена в табл. 2.

Все сигнальные операции и управляющие команды выполняются в соответствии с прикладной компьютерной программой, которая является неотъемлемой частью разработки данной телевизионной системы.

Очевидно, что подача всех сигналов управления осуществляется с клавиатуры компьютера 4 и/или помощи ее компьютерной мыши.

Добавим, что команда «Выбор режима видео» распространяется в пределах компьютера, а поэтому является командой внутреннего пользования. Команда «Управление наведением» - внешняя команда, т.к. она предназначена для управления работой телекамеры.

Необходимо отметить, что сигнал «окошко» может определять всю растровую зону выбираемого фрагмента изображения или быть ее меньше, но геометрические центры этих областей всегда совпадают.

Заявляемое устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с селективным масштабированием изображения работает следующим образом.

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

При ее включении компьютерной системы она начинает действовать по умолчанию в режиме 1, а в компьютере 4 формируется сигнал логической «1» для команды «Выбор режима видео» - «Кольцевое» изображение и выбор интересующего в нем фрагмента».

Поэтому на плате видео компьютера 4 выполняется цифровое микширование сигнала «видео 1» с сигналом электронной отметки «крест», а в результате коммутации этих сигналов именно сигнал «Видео 1» с «наложенной» на него отметкой «крест» воспроизводится на экране компьютерного монитора.

Напомним, что «кольцевое» положение электронной отметки «крест» в пределах растра фотоприемника 1-2 определяется в зависимости от положения движка потенциометра RP_n, установленного в блоке наведения 1-5.

«Крест» отмечает на изображении зону повышенного интереса оператора, а он, подавая с компьютера 4 в телекамеру 1 команду «Управление поворотом» - «Вперед», «Назад», может дистанционно установить эту отметку в пределах ее полного кругового перемещения.

Здесь также должно быть учтено, что наша электронная отметка «крест» при наведении на выбранный объект априори располагается точно в середине «кольцевого» изображения по его ширине (см. фиг. 7, слева).

Одновременно матричный фотоприемник 1-4 формирует видеосигнал оптически увеличенного изображения выбранного объекта, которое является базовым при создании необходимого изображения «окошка».

По выходу «Видео 1» сформированный цифровой телевизионный сигнал (ЦТС) по интерфейсу (например, USB 2,0) по линии связи передается на сервер 2, где выполняется запись видеоинформации в блок оперативной памяти на кадр.

Далее оператор переводит телевизионную систему в режим 2 работы и может контролировать комбинированное изображение, которое формируется «кольцевым» фотоприемником 1-2 и одновременно матричным сенсором 1-4 при его текущем местоположении.

Это изображение в цифровом виде по интерфейсу транслируется из телевизионной камеры 1 (по выходу «Видео 2) в сервер 2, но по другой линии связи.

Отметим, что в плате видео сервера 2 изображение комбинированного изображения целесообразно выводить на центральную часть экрана компьютерного монитора, в котором изображение «окошка» (см. фиг. 7, справа) занимает центральное положение внутри свободной зоны «кольцевого» изображения.

Эта рекомендация диктуется созданием необходимых эргономических условий для работы оператора компьютера 4 и пользователей компьютеров 3.

Наличие же свободной зоны в центральной части кольцевого изображения (см. фиг. 8) является важной для этого предпосылкой.

Вернемся к оценке соотношения (5). Учитывая оптические свойства светоделителя 1-3, освещенность изображения на мишени «кольцевого» фотоприемника 1-2 будет в β раз меньше, чем освещенность мишени матричного сенсора 1-4.

Но в типовом случае, когда площадь (Δ) светочувствительного пиксела матричного фотоприемника 1-4 равна площади пиксела первой строки «кольцевого» фотоприемника 1-2, не возникает ситуации с различной чувствительность этих фотоприемных каналов. Это объясняется тем, что в заявляемом решении априори предусмотрено, что коэффициент усиления K_m для всех активных пикселов «кольцевого сенсора увеличен по сравнению с аналогичным коэффициентом матричного сенсора в β раз.

Селективное масштабирование изображения в заявляемом решении обеспечивает не только увеличение геометрических размеров выбранного фрагмента панорамного телевизионного изображения, но и выигрыш в его разрешающей способности.

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, по сравнению с прототипом [1], составит т раз согласно соотношению (1).

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.

В настоящее время все элементы структурной схемы устройства компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с селективным масштабирование изображения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2706011. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2019. - №32.

2. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. 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.

1. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения с селективным масштабированием изображения, 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; при этом телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр изображения, содержит последовательно расположенные панорамный объектив и «кольцевой» фотоприемник (сенсор), который выполнен на кристалле, изготовленном по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП) и содержит на мишени линейки светочувствительных 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 (Δ) 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 «кольцевого» фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование на выходе «Видео» «кольцевого» фотоприемника напряжения цифрового «кольцевого» 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» фотоприемника, а изменение коэффициента усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки «кольцевого» сенсора обеспечивает одинаковую величину считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения, отличающееся тем, что в состав телевизионной камеры введены матричный фотоприемник, установленный на блоке наведения, светоделитель, расположенный на выходе панорамного объектива, селектор синхроимпульсов, генератор электронной отметки «крест» и смеситель, выход которого является выходом «Видео 1» телевизионной камеры, при этом матричный фотоприемник, 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, 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 выход цифрового видеосигнала матричного фотоприемника является выходом «Видео 2» телевизионной камеры; светоделитель, воспринимающий на входе выходное оптическое изображение панорамного объектива и обеспечивающий формирование на первом выходе оптического изображения всего «кольцевого» кадра, проецируемого на мишень «кольцевого» фотоприемника, а на втором выходе - оптического изображения одного из фрагментов «кольцевого» кадра, проецируемого на мишень матричного фотоприемника, причем сам светоделитель содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и свой объектив, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом его объектива, а второй выход светоделителя - с выходом полупрозрачного зеркала; блок наведения осуществляет плавное пространственное перемещение матричного фотоприемника в пределах круга в положение, отмечаемое на изображении в режиме наблюдения панорамного сюжета полностью электронной отметкой «крест», которая одновременно является геометрическим центром предлагаемого к рассмотрению отдельно взятого фрагмента «кольцевого» кадра, при этом управление блоком наведения телевизионной камеры выполняется по команде оператора системы с компьютера, системный блок которого является сервером заявляемой телевизионной системы; первый информационный вход смесителя подключен к выходу «Видео» «кольцевого» фотоприемника, а второй информационный вход смесителя - к выходу сигнала генератора электронной отметки «крест», 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, 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 изменение коэффициента усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки «кольцевого» сенсора выполняется 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, измеряемый величиной

где D/ƒ - относительное отверстие объектива светоделителя;

τ₁ - коэффициент пропускания объектива светоделителя;

τ₂ - коэффициент пропускания коллективной линзы светоделителя;

при этом в качестве сервера компьютерной системы используется системный блок одного из компьютерных пользователей, а сам он является оператором этой системы, причем плата видео, установленная в разъем расширения на материнской плате сервера, предназначена для ввода/вывода как первого, так и второго цифровых видеосигналов («Видео 1» и «Видео 2» соответственно), формирования сигнала «окошко», выполнения коммутации видеосигналов «Видео 1» и «Видео 2» по сигналу «окошко» с формированием комбинированного изображения, выход которого является выходом видеосигнала телевизионной системы.

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.

3. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения по п. 1, отличающееся тем, что в плате видео сервера изображение комбинированного изображения выводится на центральную часть компьютерного монитора, в котором изображение «окошка» занимает центральное положение внутри свободной зоны «кольцевого» изображения.