CC BY
38
СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, доктор технических наук
а 1 ■ ■ '' ' л
ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ, ОРГАНИЗОВАННОЙ ПО МЕТОДУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО МАСШТАБИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Предложен способ компенсации потерь от. деления, светового потока для. двухканальной телевизионной системы, с масштабированием. изображения.
Ключевые слова: телевизионная, система, телекамера, масштабирование изображения.
Offered media coverage of optical losses from, fission of the light flow for dual-link television, system, with, scaling the scene. Keywords: television system, television camera, scaling the scene.
опросы организации метода оптико-электронного масштабирования изображения, в системах прикладного телевидения, публиковались неоднократно [1 — 3]. Общими признаками данного метода следует, считать использование двух датчиков видеосигнала, а также разделение входного оптического потока по двум, направлениям, и с различием, по площади пространства в каждом из них для. формирования, на мишенях фотоприемников соответственно изображения, общего вида и. изображения. его увеличенного фрагмента. Новизна и. оригинальность предложенных технических решений по устройству телекамер, выполненных по этому методу, была подтверждена признанием. их изобретениями. [4 — 8]. В настоящей статье автор пытается. усовершенствовать метод путем обмена неизбежно снижаемой величи-
ны. светового потока, попадающего на мишень одного из фотоприемников, на пропорциональное увеличение длительности его экспонирования, в целях повышения, чувствительности телевизионной системы, применительно к изображению общего вида. Согласно работам [1, 8] структурная схема телевизионной системы, выполненной по методу оптико-электронного масштабирования, может быть представлена так, как это показано на рис. 1. Она содержит на передающей стороне телекамеру в позиции 1, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива 1-1, светоделителя 1-2 и двух датчиков телевизионного сигнала (ДТС) 1-3 и 1-4, а также блока 1-5 наведения, селектора 1-6 синхроимпульсов и формирователя 1-7 сигнала рамки. Предполагается, что оба ДТС выполнены на
базе матриц приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС).
На приемной стороне телевизионной системы расположен компьютер в позиции 3, а между приемной и передающей сторонами проложена линия связи в позиции 2.
Светоделитель 1-2 телекамеры включает в свой состав последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало 1-2-1, коллективную линзу 1-2-2, отражающее зеркало 1-2-3 и второй (дополнительный) объектив 1-2-4.
Первый ДТС 1-3 на выходе «видео 1» обеспечивает формирование видеосигнала изображения общего вида, а второй ДТС 1-4 соответственно на выходе «видео 2» —видеосигнала его увеличенного фрагмента.
При этом не трудно заметить, что величина освещенности для мишени фо-
Рис. 2. Функциональная схема технологической организации фотоприемника
для ДТС 1-3
топриемника первого ДТС по отношению к освещенности мишени второго ДТС ослабляется с коэффициентом, который определяется произведением:
(Б/Г)2 х т, х т2 х Ц,
где БЛ — относительное отверстие второго объектива, т.е. отношение диаметра Б его входного зрачка к фокусному расстоянию т, — коэффициент пропускания второго объектива; т2 — коэффициент пропускания коллективной линзы.
Это произведение может достигать величины 1/10, что ухудшает чувствительность системы в канале первого ДТС на порядок. Очевидно, что такая ситуация становится особенно нетерпимой для систем телевизионной охраны, т.к. серьезно затрудняет для оператора решение вопроса по обнаружению действительного нарушителя. В предлагаемом ниже техническом решении этот недостаток полностью преодолен путем увеличения отношения сигнал/шум на выходе матрицы ПЗС первого ДТС за счет суммирования в его секции памяти зарядовых пакетов, сформированных в фотоприемной секции.
В качестве сенсоров для обоих ДТС может быть использована матрица ПЗС с организацией «строчный перенос». Но наилучшим решением сенсора для ДТС 1-3 следует все же считать технологическую организацию «строчно-кадровый перенос» [9, с. 42], как показано на рис. 2. Ее преимуществом в нашей ситуации является достижение максимально возможного отношения сигнал/шум для зарядового рельефа, подвергаемого длительному хранению. Заметим, что в зарубежной литературе [10, с. 135—137], такую организацию ПЗС называют «кадрово-строчный перенос».
Сама система управления переносом в матрице ПЗС может быть двухфазной, трехфазной или четырехфазной в зависимости от технологических особенностей производства фотоприемника. Реализация строчно-кадрового переноса в сенсоре означает, что на кристалл матрицы ПЗС, имеющей организацию «строчный перенос», добавлена секция памяти 1-3-1-2, которая располагается между фотоприемной секцией 1-3-1-1 и выходным регистром 1-3-1-3.
Фотоприемная секция 1-3-1-1
п -
Фотоприемная секция 1-3-1-1 снабжена электронным затвором, выполняющим электронную регулировку чувствительности путем управления временем накопления зарядовых носителей в течение кадрового периода. Зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров секции 1-3-1-1 в промежутке интервала обратного хода кадровой развертки переносятся в секцию 1-3-1-2, а оттуда в последующем интервале прямого хода по кадру построчно переносятся в выходной регистр 1-3-1-3. Каждая зарядовая строка изображения затем поэлементно счи-
тывается через блок преобразования заряда в напряжение (БПЗН) 1-3-1-4, образуя на выходе «видео» фотоприемника электрический видеосигнал. Допустим, что ослабление освещенности в светоделителе 1-2 для фотоприемника ДТС 1-3 осуществляется с коэффициентом 1/10. Тогда для компенсации оптических потерь необходимо регулярно, в течение интервала пТк, где Тк — длительность кадра, выполнять суммирование в секции 1-3-1-2 матрицы ПЗС зарядовых пакетов, которые были накоплены в ее секции 1-3-1-1.
ж
Рис. 3. Временная диаграмма, поясняющая работу первого ДТС 1-3
Таблица 1
Наименование команды Обозначение режима Сигнал
«Выбор режима видео» «Изображение общего вида» «1»
«Изображение увеличенного фрагмента» «0»
Таблица 2
Наименование команды Обозначение режима Сигнал
«Управление по горизонтали» «Вправо» « + и»
«Влево» «-и»
«Управление по вертикали» «Вверх» « + и»
«Вниз» «-и»
Изменение диаграммы управления этой секции применительно к трехфазной системе переноса в фотоприемнике представлено на рис. 3. Эпюры, показанные на рис. 3б...г, демонстрируют управляющие сигналы для секции памяти фотоприемника в типовом режиме, а эпюры на рис. 3д..ж, — в режиме работы телекамеры предлагаемого решения.
Поэтому для этого решения в композитном видеосигнале на выходе ДТС
1-3 отношение сигнал /шум увеличивается в п раз, а сам сигнал изображения будет следовать с периодом (п+1)Тк, т.е. с пропуском на величину временного интервала пТк, как представлено на рис. 3з.
Отметим, что для увеличения геометрических размеров пространства, находящегося в поле зрения системы для телевизионной охраны, желательно чтобы входной объектив 1-1 имел широкий угол поля зрения при стан-
дартной величине формата кадра 4/3. Например, отечественный объектив «Зенитар-М 2,8/16», относящийся к оптике типа «Рыбий глаз», может обеспечить для диагонали фотомишени датчика 1-3, равной 1/3 дюйма, поле зрения по горизонтали не менее 100 угловых градусов.
Размер кадра для объектива «Зенитар-М 2,8/16» составляет 24 х 36 мм. Поэтому кратность масштабирования Км оптического изображения, формируемого на втором выходе светоделителя, равна отношению:
Км = 24/3,6 = 36/4,8 = 6,6.
Компьютер 3 предназначен для выполнения следующих операций:
♦ преобразования первого («видео 1») и второго («видео 2») входных аналоговых сигналов изображения, транслируемых с телекамеры, в цифровые видеосигналы;
♦ ввода цифрового видеосигнала «видео 1» в оперативную память с периодом пТк и вывода из нее с периодом Тк, где Тк — длительность кадра, п — число суммируемых кадров;
♦ ввода/вывода цифрового видеосигнала «видео 2» с периодом Тк;
♦ формирования команд «Управление наведением» и «Выбор режима видео»;
♦ микширования выходного цифрового видеосигнала «видео 1» с сигналом «рамка»;
♦ межкадрового сравнения выходного цифрового видеосигнала «видео 2» и формирования сигнала «тревога»;
♦ коммутации и воспроизведения цифровых видеосигналов в режимах «Изображение общего вида» и «Изображение увеличенного фрагмента».
На практике выполнение всех этих операций осуществляется при помощи установленной дополнительно в разъем расширения на материнской плате компьютера платы видео, которая согласована по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера.
Характеристика сигналов управления, сопутствующих команде «Выбор режима видео», представлена в табл. 1. Будем считать, что управление наведением осуществляется командами в соответствии с табл. 2.
а)
Охраняемая зона
Рис. 4. Пример изображений, формируемых телевизионной системой
Все сигнальные операции и управляющие команды выполняются в соответствии с прикладной компьютерной программой, которая является неотъемлемой частью разработки данной телевизионной системы. В разрабатываемой для заявляемой системы прикладной компьютерной программе крайне желательно реализовать и коррекцию «подушкообразных» геометрических искажений, вносимых входным широкоугольным объективом типа «Рыбий глаз» в аналоговые сигналы изображения «видео 1» и «видео 2», которые формирует телекамера. Очевидно, что подача команд управления может осуществляться с клавиатуры компьютера и/или с помощью компьютерной мыши. Отметим, 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.
Выходные цифровые сигналы изображения «видео 1» и «видео 2» в настоящем решении жестко синхронизированы между собой, а их световые (энергетические) чувствительности практически одинаковы. Поэтому при необходимости в заявляемом решении по методу PIP (английская аббревиатура, означающая в переводе «изображение в изображении» или «картинка в картинке») может быть дополнительно сформировано комбинированное изображение, содержащее изображение «видео 1», в окне которого частично передается изображение «видео 2». Такая возможность может быть весьма полезна для оператора охранной телевизионной системы, экономя его время для принятия правильного решения о возможном нарушении. Для выполнения задачи телевизионной охраны предлагаемая система работает следующим образом. Выделим в ее работе два режима:
♦ «Выбор охраняемого объекта и анализ ситуации» (режим 1);
♦ «Тревога» (режим 2). Независимо от режима работы телевизионной системы входное оптическое изображение по оптическому пути: входной объектив 1-1, полупрозрачное зеркало 1-2-1, коллективная линза 1-2-
2, отражающее зеркало 1-2-3, дополнительный объектив 1-2-4 проецируется на фотомишень первого ДТС 1-3. Одновременно увеличенный (в соответствии с кратностью масштабирования Км светоделителя 1-2) фрагмент этого изображения, границы которого определяются электронной рамкой, по другому оптическому пути: входной объектив 1-1, полупрозрачное зеркало 1-2-1 проецируется на фотомишень второго ДТС 1-4.
Отметим, что кратность масштабирования Км светоделителя 1-2 определяется отношением ширины (высоты) оптического кадра входного объектива 1-1 к соответствующим сторонам фотомишени второго ДТС 1-4.
В результате фотоэлектрического преобразования оптическое изображение каждого из ДТС преобразуется далее в соответствующие композитные видеосигналы. Обозначим композитный видеосигнал на выходе ДТС 1-3 как «видео 1», а композитный видеосигнал на выходе ДТС 1-4 — «видео 2».
Композитный видеосигнал «видео 1» (рис. 3з) следует с периодом (п+1)Тк, но в нем в п раз увеличено отношение сигнал/шум.
Селектор 1-6 синхроимпульсов выделяет из композитного видеосигнала «видео 2» строчные и кадровые синхроимпульсы, а формирователь 1-7 сигнала рамки вырабатывает на выхо-
а)
Охраняемая зона
[_______I
Возможный нарушитель
б)
монохромное окно
Рис. 5. Пример комбинированного изображения, формируемого телевизионной
системой
де сигнал прямоугольной рамки с форматом (а х Ь).
Затем оба аналоговых видеосигнала параллельно транслируются из телекамеры 1 по линии связи 2 на приемную сторону телевизионной системы, где поступают в компьютер 3. На плате видео компьютера аналоговые видеосигналы «видео 1» и «видео 2» при помощи аналого-цифрового преобразования (АЦП) становятся цифровыми видеосигналами. Цифровой видеосигнал «видео 1» записывается в блок оперативной памяти, где хранится в течение п кадров. Обновление информации в оперативной памяти происходит с периодом (п + 1)Тк, а считывание видеосигнала
«видео 1» из памяти — с периодом Тк. Поэтому в выходном цифровом видеосигнале «видео 1» информативные пропуски во времени будут устранены.
Цифровой видеосигнал «видео 2» записывается в другой блок оперативной памяти, но его обновление там происходит с периодом Тк. Благодаря этой оперативной памяти, цифровой видеосигнал «видео 2» может быть подвергнут процедуре межкадрового сравнения. Выполнение на плате видео компьютера этого межкадрового сравнения по заданным алгоритмам встроенного детектора движения позволяет по заданной величине порога зафиксировать момент нарушения на контролируе-
мом объекте и подать сигнал «тревога». При подаче питания телевизионная система по умолчанию начинает работать в режиме 1, а в компьютере формируется сигнал логической «1» для команды «Изображение общего вида». Поэтому на плате видео компьютера выполняется цифровое микширование сигнала «видео 1» с сигналом электронной рамки, а в результате коммутации видеосигналов именно сигнал «видео 1» с «наложенной» на него рамкой воспроизводится на экране компьютерного монитора.
Положение рамки в пределах активной части растра определяется датчиками положения 1-5-2 и 1-5-4, установленными в блоке 1-5 наведения. Одновременно ДТС 1-4 формирует видеосигнал оптически увеличенного «внутрира-мочного» изображения. Отметим, что электронная рамка отмечает на изображении зону повышенного интереса для оператора, а он, подавая с компьютера в телекамеру команды «Управление по горизонтали» — «Вправо/Влево» и «Управление по вертикали» — «Вверх/Вниз», может дистанционно установить рамку на любом участке наблюдаемого изображения общего вида. Качество этого изображения в ночное время суток будет заведомо выше, благодаря повышению отношения сигнал/шум в результате зарядового суммирования п кадров накопления в матрице ПЗС.
После завершения оператором при помощи электронной рамки выбора охраняемой зоны автоматически инициализируется детектор движения, выполненный на плате видео компьютера. Далее, если в некоторый момент в охраняемой зоне появляется нарушитель (рис. 4а), то детектор движения зафиксирует изменение видеосигнала, а его сигнал «тревога» осуществит коммутацию видеосигналов и переведет телевизионную систему в режим 2 работы.
В результате на экране компьютерного монитора воспроизводится «распахнутое» на весь растр «внутрирамочное» изображение с кратностью масштабирования Км (рис. 4б). Если на плате видео компьютера предусмотрено формирование комбинированного сигнала изображения, то оператор может перевести телевизион-
ную систему в режим 3 работы (режим PIP) и контролировать формируемое синтезированное изображение, как это показано на рис. 5б. После принятия оператором решения по факту регистрации телевизионной системой нарушения в охраняемой зоне система должна быть вновь переведена в режим 1 работы путем выпол-
нения оператором принудительного сброса тревоги.
Выигрыш в световой чувствительности, а, следовательно, и в качестве изображения общего вида, определяется числом п суммируемых кадров накопления. Сама же величина п может быть ограничена лишь динамикой событий на объекте, которые необходимо ви-
деть оператору. Учитывая, что в ночное время уровень возможных и допустимых изменений на охраняемом объекте крайне мал, этот выигрыш в чувствительности может быть достаточно большим, например, до 50 раз. Это означает, что выбор величины п ограничен лишь ростом темновой составляющей в сигнале изображения матрицы ПЗС
Литература
1. Смелков В.М. Телевизионная камера для скрытого наблюдения и телевизионной охраны./ Специальная техника, 2001. — № 3. — с. 20 — 23.
2. Смелков В.М. Охранная, телевизионная, камера: новое решение по методу оптико-электронного масштабирования. / Специальная. техника, 2002. — № 6. с. 12 — 15.
3. Смелков В.М. Охранная, телекамера с селективным масштабированием.: новое решение./ Специальная, техника, 2003. — № 3. — с. 17 — 20.
4. Пат. 2126601 РФ, МПК HO4N 7/00, 7/18. Устройство телевизионного наблюдения./ В.М. Смелков, Я.Ю. Гозман, Л.Н. Лысенко, С.Н. Федорук, О.Ф. Родионов. № 97100431/09; заявл. 14.01.1997; опубл. 20.02.1999, Бюл. № 5.
5. Пат.. 2171014 РФ, МПК HO4N 5/225, 5/228. Телевизионная, камера с селективным масштабированием../ В.М. Смелков, Ю.А. Смоляков, Н.Н. Егорова, В.М. Петрова. № 99113882/09; заявл. 28.06.1999; опубл. 20.07200, Бюл. № 10.
6.. Пат.. 2174745 РФ, МПК HO4N 7/00, 7/18. Телевизионная, камера с селективным масштабированием../ В.М. Смелков, Ю.А. Смоляков, В.Е. Антонов, В.М. Петрова. № 2000116680/09; заявл. 23.06.2000; опубл. 10.10.2001, Бюл. № 28.
7. Пат.. 2199828 РФ, МПК HO4N 5/225, 5/238. Телевизионная, камера с селективным масштабированием../ В.М. Смелков, Ю.А. Смоляков, В.Е.Антонов, А.П. Огарков. № 2000116202/09; заявл. 19.06.2000; опубл. 27.022003, Бюл. № 6.
8. Пат. 22311231 РФ, МПК GO8B 13/196, HO4N 7/18. Охранная телевизионная система./ В.М. Смелков, Ю.А. Смоляков. № 2001121224/09; заявл.09.11.2000; опубл. 20.06.2004, Бюл. № 17.
9. Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телевидение в системах физической защиты.. — С.-Пб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001.
10. Владо Дамьяновски. CTV. Библия, видеонаблюдения, Цифровые и сетевые технологии./ Перевод с англ. — М.: ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.
Общество с ограниченной ответственностью
СПЕЦИАЛЬНЫЕ iТЕХНИЧЕСКИЕ И
■ КРИМИНАЛИСТИЧЕСКИЕ
Лицензии ФСБ России П№ 0011838 от27.06.2008 г. и/13 № 0015048 от25.08.2008 г.
Оснащение субъектов оперативно-розыскной деятельности, служб безопасности; технические средства для обеспечения безопасности бизнеса; криминалистическое оборудование.
Адрес: Москва, Ленинградское ш., д. 80, корп. 22 (Балтийская ул., д. 9) Почтовый адрес: 109052 Москва, а/я 61, ООО «СТИКС» тел./факс (495) 755-6199, 755-6410 E-mail: 007@stiks.su, stiks@stiks.su
