CC BY
43
СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, доктор технических наук
устройство сетевой
телевизионно-компьютерной системы для панорамного наблюдения: новое решение
В составе телевизионно-компьютерной системы предложено техническое решение телекамеры кругового обзора на базе панорамного объектива для. мониторинга окружающего пространства с увеличенным кольцевым захватом.. Ключевые слова: панорамный объектив, ПЗС, телекамера, сервер, персональный компьютер, локальная сеть.
In television-computer system, proposed, technical solution, around, view camera based, panoramic lens to monitor the surrounding area with a larger ring grip.
Keywords: panoramic lens, CCD, server, personal computer, a local network.
В работе [1] автором были рассмотрены общие вопросы построения телекамеры кругового обзора и ее взаимодействия с компьютерным сервером и операторами персональных компьютеров, которые осуществляют панорамное наблюдение. Важнейшей особенностью телекамеры являлось использование панорамного объектива, благодаря которому исключено директивное движение светового потока по направлению к фотоприемнику, а в составе телекамеры нет больше механических подвижных элементов. Продолжая тему в последующем номере журнала [2], автор предложил метод построения телекамеры для панорамного наблюдения динамичных сюжетов путем введения в плоскость выходного изображения панорамного объектива волоконно-оптической насадки и ее сочленения с мишенью фотоприемника при помощи световодных жгутов-ответвлений. Важно отметить, что до упомянутых публикаций предложенные техниче-
ские решения были оформлены автором в виде заявок на изобретения, а затем после первой апробации успешно прошли экспертизу в Федеральном институте промышленной собственности (ФИПС), получив в итоге статус запатентованных охранных объектов [3, 4]. Настоящая статья, развивая поставленную тему, предлагает решение задачи увеличения площади кольцевой области активно контролируемого оператором оптического пространства за счет использования в телекамере двух фотоприемников при сохранении прежних показателей по разрешающей способности и скорости поэлементного считывания. Обратимся к рассмотрению ситуации с матрицей фотоприемника, мишень которого, согласно условиям в [1], должна быть вписана в вертикальный размер оптического кадра панорамного объектива.
Разрешающая способность этого матричного фотоприемника напрямую
зависит от горизонтального угла поля зрения наблюдаемого оператором персонального компьютера изображения (уг). Чем меньше величина уг, тем выше требуемое число элементов матрицы по горизонтали и вертикали. Учитывая, что геометрические размеры оптического кадра сегодняшнего панорамного объектива совпадают с размерами кадра стандартной фотопленки, необходимо признать эти требования чрезвычайно высокими. Современные мегапиксельные матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС) имеют явное ограничение по скорости тактирования фазных электродов выходного регистра: максимальная частота опроса элемента (пиксела) не превышает 40 МГц. Отсюда частота смены кадров наблюдаемого оператором персонального компьютера панорамного изображения должна быть принята значительно ниже 50 Гц, что не всегда допустимо по причине внесения дополнительных искажений
Рис. 1. Структурная схема телевизионно-компьютерной системы
видеосигнала при регистрации динамичных сюжетов.
Поэтому актуальным становится режим переменной скорости считывания в матрице ПЗС, предложенный в работе [5, а 103], который позволяет перераспределением частот считывания в пределах одного кадра улучшить качество считывания некоторого фрагмента изображения ценой ухудшения качества считывания остального массива элементов или его участка. Например, этот заведомо необходимый фрагмент изображения считывается с
оптимальной скоростью, т.е. активно, а поэтому для него формируется полезный видеосигнал. С другой стороны, заведомо бесполезный участок изображения считывается с максимальной скоростью или пассивно, т.к. это приводит к физическому устранению самого процесса формирования видеосигнала. Такое решение обеспечивает сжатие формируемого видеосигнала путем сокращения полосы передаваемых частот и компромиссное распределение коэффициента сжатия между телевизионной камерой и сервером.
Следует признать и другое «препятствие», а именно: дальнейший рост разрешающей способности матриц ПЗС ограничен производственными возможностями их технологии, которая по многим показателям приближается к физическим пределам. Структурная схема телевизионно-компьютерной системы, реализующей предлагаемое решение по панорамному наблюдению, представлена на рис. 1. Система имеет в своем составе телекамеру 1, сервер 2, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к ко-
торому подключены два и более персональных компьютеров 3. Телекамера содержит последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив 1-1 и светоделитель 1-2, предназначенный для того, чтобы распараллелить изображение с выхода панорамного объектива соответственно на мишени первого 1-3 и второго 1-4 датчиков цифровых телевизионных сигналов (датчиков ЦТС). Мультиплексор 1-5 обеспечивает объединение двух видеосигналов на единственную магистраль с помощью разделения по времени. Мишень фотоприемника первого датчика 1-3, как и в прототипе [1], должна быть вписана в вертикальный размер оптического кадра панорамного объектива 1-1. С другой стороны, мишень фотоприемника второго датчика 1-4 должна захватывать кольцевое оптическое изображение, которое не используется при формировании видеосигнала фотоприемником первого датчика 1-2. Очевидно, что формат мишени фотоприемника второго датчика будет меньше формата мишени фотоприемника первого датчика при одинаковых геометрических размерах их матричных пикселов.
Панорамный объектив 1-1 телекамеры 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 из Московского государственного университета геодезии и картографии [6]. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать 75 — 80 градусов по углу места. На фото 1 представлено кольцевое изображение, формируемое панорамным объективом.
На рис. 2, вверху, показано кольцевое изображение, захватываемое датчиком 1-3 телекамеры; а на рис. 3, там же, — кольцевое изображение, воспринимаемое вторым датчиком 1-4. Рассмотрим подробнее процесс формирования аналоговых видеосигналов фотоприемниками этих датчиков.
Фото 1. Изображение, формируемое отечественным объективом (по данным [6])
Фотоприемник первого датчика 1-3 формирует аналоговый видеосигнал путем считывания пикселов на мишени, вписанной по высоте на диаметр кольцевого изображения, при этом исключается поэлементное считывание на площади участка мишени, расположенного внутри этой мишени. На рис. 2 границы мишени фотоприемника датчика 1-3 показаны пунктирной линией, а пассивная область мишени отмечена косой штриховкой. Мишень фотоприемника второго датчика 1-4 вписана по высоте в этот вертикальный размер пассивной области мишени фотоприемника датчика 1-3, как показано на рис. 3. Пунктирная линия на этом чертеже отмечает границы
Рис. 2. Кольцевое изображение от первого датчика телекамеры и соответствующая ему последовательность «прямоугольных» кадров
Границы мишени фотоприемника второго датчика
Рис. 3. Кольцевое изображение от второго датчика телекамеры и соответствующая ему последовательность «прямоугольных» кадров
мишени фотоприемника датчика 1-4. Фотоприемник этого датчика считывает с оптимальной скоростью все без исключения пикселы на мишени. Поэтому подвергается преобразованию «свет — сигнал» и круговой участок кольцевого оптического изображения, не несущий никакой оптической информации.
Формируемый на выходе телекамеры 1 цифровой мультиплексный сигнал изображения, который содержит в качестве составляющих сигналы «видео 1» и «видео 2», полученные соответственно от датчика 1-3 и датчика 1-4. Мультиплексный видеосигнал по единственной линии связи передаются при помощи стандартного интерфейса (например, USB 2.0) на вход сервера 2. Функция демультиплексирования (разделения) сигналов «видео 1» и «видео 2» реализуется на плате видео сервера 2. На плате видеосервера осуществляется разделение поступающего мультиплексного видеосигнала на два канала, соответственно для «видео 1» и «видео 2» и запись каждого из этих кольцевых изображений в блоки оперативной памяти.
Число дополнительных «прямоугольных» кадров, появляющихся в этом двухканальном процессе преобразования, равно числу n «прямоугольных» кадров, вырабатываемых сервером по видеоинформации от первого датчика 1-3, и удовлетворяет соотношению:
n = 360/ уг (1)
где уг — горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения.
На каждом из рис. 2, 3 внизу, схематически представлены панорамные изображения этих кольцевых областей, предлагаемых оператору персонального компьютера, в виде последовательности из 6-ти «прямоугольных» кадров. Отметим, что операция считывания этих «прямоугольных» кадров включает и коррекцию программным путем геометрических искажений соответствующего участка панорамного изображения точно так же, как это имеет место в прототипе и для изображения от первого датчика 1-3. Предположим, что текущий угол поля зрения (уг) предъявляемого панорамного изображения составляет 60 граду-
сов по горизонтали, тогда «кольцевой» кадр записи для «видео 1» включает 6 (шесть) условных областей (рис. 2), а «кольцевой» кадр записи для «видео 2» тоже включает 6 условных областей (рис. 3). На рис. 3 эти области для «кольцевого» кадра «видео 2» перекрываются, т.к. желательно обеспечить запись видеосигналов с поддержанием неизменного показателя по разрешающей способности изображения. Цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуемый в п «прямоугольных» кадров, может быть предложен в виде выбранной последовательности
(рис. 2 или рис. 3 соответственно) операторам локальной вычислительной сети. В нашем примере две эти последовательности содержат 12 различных изображений.
Будем считать, что в качестве персональных компьютеров 3, образующих эту сеть использованы бюджетные ноутбуки, содержащие в своем составе материнскую плату с установленными на ней процессором и оперативной памятью, а также жесткий диск, дисплей, клавиатуру и тачпад — указательное устройство, используемое вместо манипулятора «мышь». Оператор каждого ноутбука 3 может
легко осуществить селекцию предлагаемого сервером 2 изображения и его вывод на экран дисплея. Технический результат предлагаемого решения заключается в том, что оператору ноутбука, по сравнению с прототипом, предлагается увеличенная последовательность изображений, передающих увеличенную площадь контролируемого оптического пространства.
В заключение, которому больше подходит толкование «вопросительный эпилог», следует сообщить следующее. В конце июля 2009 г. автор настоящей статьи получил сообщение из ФИПС о том, что его заявочное техническое решение №2008113263/09 - «Способ панорамного телевизионного наблюдения и устройство для его осуществления» признано изобретением [3]. Принимая априори, что основополагающим элементом данного решения является создание панорамного объ-
ектива отечественного производства, он обратился с письмом на кафедру оптико-электронных приборов Московского государственного университета геодезии и картографии, а далее -непосредственно к профессору, д.т.н. В.А. Соломатину, который является одним из авторов российского патента на панорамный зеркально-линзовый объектив [6].
В этом письме предлагалось установить техническое сотрудничество с московским коллективом, которое было бы вполне логично оправданным, учитывая, что автор заявки на систему телевизионного наблюдения — В.М. Смел-ков — на момент ее подачи принял на себя обязательство заключить договор об отчуждении патента с любым гражданином РФ или российским юридическим лицом, кто первым изъявит такое желание.
Владимир Алексеевич Соломатин проявил в этом вопросе ожидаемое пони-
мание, сообщив в ответном письме, в августе 2009 г., что «если работы в этом направлении у нас будут как-то продвигаться, то надеюсь на сотрудничество с Вами». Но в том же письме он с горечью признался в том, что «очевидная перспективность разработок панорамных систем кругового обзора пока не вызывает большой заинтересованности, и предложений по внедрению таких систем к нам не поступало».
Прошло четыре года, а предложений по реализации телевизионных систем на базе панорамной оптики, как не было, так и нет...
Неужели можно и дальше продолжать верить, что сегодняшний отечественный бизнес, который неоднократно, и в частности на данном примере, не вникнув в суть дела, — с порога отвергает отечественные наработки, способен решить задачи экономической модернизации страны?
Литература
1. Смелков В.М. К вопросу построения, телевизионной камеры, для. панорамного наблюдения./ Спецтехника и связь, 2008. -№ 1. - С. 12 - 17.
2. Смелков В.М. Метод построения, телевизионной камеры, для. панорамного наблюдения, динамичных сюжетов./ Спецтехника и связь, 2008. - № 2. - С. 10 - 12.
3. Патент. РФ №2371880. МПК H04N 7/00. Способ панорамного телевизионного наблюдения, и устройство для. его осуществления. / В.М. Смелков // Б.И. - 2009. - № 30.
4. Патент. РФ №2389154. МПК H04N 7/18. Устройство панорамного телевизионного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И.
- 2010. - № 13.
5. Хромов Л.И., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Видеоинформатика. Передача и компьютерная, обработка видеоинформации.
- М.: Радио и связь, 1991.
6. Патент РФ №2185645. МПК G02B13/06, G02B17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002. - № 20.
