К вопросу построения телевизионной камеры для панорамного наблюдения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович,

доктор технических наук

С

К ВОПРОСУ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ ДЛЯ ПАНОРАМНОГО НАБЛЮДЕНИЯ

Для охранного телевидения актуальной является задача панорамного наблюдения, выполнение которой осуществляется телевизионной системой при помощи телекамеры кругового обзора пространства в об-

ласти, близкой к полусфере, то есть в пространственном угле 360° по азимуту и десятках градусов по углу места.

С экономической точки зрения решение этой задачи гарантирует сокращение числа телекамер системы

наблюдения до одной, что явно предпочтительно для потребителя. С другой стороны, технические средства панорамного наблюдения должны обеспечивать получение видеоинформации пользователем о динамичных

Рис. 1. Структурная схема телевизионной системы панорамного наблюдения согласно патенту США № 6034716

операторов, индивидуально оснащенные системными блоками 43, видеомониторами 14 и манипуляторами типа «мышь» 44.

Телекамера 10 установлена на штатив, а ее объектив накрывает прозрачный купол, внутри которого находится зеркало 16, вращающееся посредством двигателя 26. Пространственное расположение зеркала 16, фокусное расстояние объектива и его относительное отверстие в совокупности определяют собирающую способность оптики телекамеры и ее угловое поле зрения при выполнении экспонирования изображения захвата. Каждому отдельно взятому изображению захвата соответствует сегмент пространства в соответствии с ограниченным углом зрения телекамеры в текущей позиции зеркала 16.

На рис. 3 показано схематическое представление полного угла наблюдения (360°), в котором обеспечивается регистрация изображений как результат вращения зеркала 16. Позиция 34 представляет сегмент изоб-

сюжетах всего этого пространства в реальном или близком к нему масштабе времени, что существенно усложняет их практическую реализацию для разработчика-изготовителя.

Следует отметить, что широко рекламируемые на российском рынке скоростные купольные камеры импортного производства, например [1, с. 390], содержащие собственно телекамеру, объектив с автоматической фокусировкой, поворотный механизм и приемник сигналов телеуправления, не решают задачу панорамного наблюдения, так как с их помощью осуществляется лишь ограниченная выборка изображений из всего предлагаемого сюжета.

Техническое решение цифровой телевизионной системы, в которой реализуется панорамное наблюдение, предложено в американском патенте [2].

На рис. 1 изображена структурная схема устройства этой системы, а на рис. 2 представлены технологические действия (пошаговые операции), необходимые для реализации выбранного метода.

Телевизионная система содержит в своем составе телекамеру 10, компьютерный сервер 12 и рабочие места

ШАГ 1 ШАГ 2

Позиционирование Движение светового потока

телекамеры с обычным директивно с поворотом циклов

объективом в по направлению к

фиксированное фотоприемнику телекамеры

положение

ШАГ 3

Захват

изображения в

ограниченном угле

поля зрения

ШАГ 4

Преобразование аналогового видеосигнала в цифровую форму

ШАГ 5 ШАГ 6

Передача репродуцируемого изображения в компьютерный сервер

Контрольная селекция изображений одновременно на нескольких компьютерах, независимо от местоположения оператора

Рис. 2. Пошаговые действия при практической реализации системы регистрации и воспроизведения панорамного изображения согласно патенту США № 6034716

Рис. 3. Полный угол наблюдения телевизионной системы (вверху) и регистрируемые изображения (внизу) согласно патенту США № 6034716

писываемых изображений представлен на рис. 3 внизу. Индивидуальные места наблюдения этих изображений организованы путем подключения к сети пользователей персональных компьютеров. Операторы имеют возможность выбрать и вывести на экран видеомонитора 14 репродуцированное изображение, интересующее индивидуально каждого пользователя, в том числе и в «окне» 46, показанном на рис. 3 внизу.

Очевидной слабостью данного решения является технологический шаг 2 — «Движение светового потока директивно с повтором циклов по направлению к фотоприемнику телекамеры» (рис. 2). Это связано с тем, что процесс экспонирования (накопления) изображения выполняется телекамерой 10 не для статичного, а для подвижного изображения. Поэтому неизбежны потери разрешающей способности регистрируемого изображения, определяемые динамической частотно-контрастной характеристикой (ЧКХд).

ражения захвата, а область наблюдения 36, окружающая телекамеру, будет захвачена полностью последовательно при помощи этих сегментов. Вращение зеркала 16 выполняется синхронно с электронным затвором фотоприемника на матрице ПЗС (на рис. 1 не показано), поэтому возможно наличие или отсутствие перекрытия сегментов при регистрации смежных кадров изображения.

В примере на рис. 3 вверху поле наблюдения 36 в 360° разделено на 16 сегментов 34, каждый из которых определяет угол по горизонтали в 22,5°.

Авторы изобретения рекомендуют выполнять вращение зеркала 16 со скоростью записи изображения на пленку в кинематографе, то есть 24 оборота в секунду, принимая разумный компромисс между динамикой сюжета и чувствительностью телекамеры. В результате в течение каждой секунды телекамера предлагает для регистрации в память сервера 12 число изображений, равное произведению: 24x16 = 384.

Видеоданные транслируются через кабель 40 на сервер 12 и заносятся в его оперативную память. Характер за-

Фото 1. Изображение, полученное при помощи ПЗЛК-насадки к объективу «Мир 1В» [5]

ШАГ 1 ШАГ 2

Оснащение телекамеры с Захват изображения с угловым

панорамным зеркально- > полем в пространстве предметов -

линзовым объективом и ее 360 градусов по азимуту

позиционирование в

фиксированное положение

ШАГ 5

Передача репродуцируемого изображения в компьютерный сервер

ШАГ 3 ШАГ 4

Преобразование Преобразование кольцевого

аналогового ► панорамного изображения в

видеосигнала в обычное изображения в

цифровую форму специализированном процессоре

ШАГ 6

Контрольная селекция изображений одновременно на нескольких компьютерах, независимо от местоположения оператора

Рис. 4. Пошаговые действия при практической реализации системы регистрации и воспроизведения панорамного изображения с использованием в телекамере ПЗЛК

азимуту и может достигать 75 - 80° по углу места в зависимости от конструкции. Кольцевое изображение формируется внутри такого объектива, и для анализа изображения требуется оптическая система переноса изображений. Авторы статьи [4] рассматривают панорамный зеркально-линзовый объектив (ПЗЛК) в качестве одного из компонентов панорамной оптической системы. Фото 1 демонстрирует кольцевое изображение на выходе панорамной оптической системы [5].

При практической реализации телевизионной системы панорамного изображения с использованием ПЗЛК исключается необходимость в директивном движении светового потока по направлению к фотоприемнику телекамеры. В новой панорамной телекамере больше нет механических подвижных элементов! Следовательно, из состава телекамеры 10 могут быть удалены как зеркало 16, так и двигатель 26.

Очевидно, что для панорамной телекамеры оптимальной формой мишени фотоприемника можно считать круговое кольцо, так как именно такой формой обладает оптическое изображение на выходе ПЗЛК. Если же согласить-

Оценка этого параметра ведется по формуле, опубликованной в работе [3]:

ЧКХд = \5Ц(2п13)ЫУтЬе] I (1)

где N - пространственная частота теста, выраженная числом телевизионных линий, умещающихся на отрезке строки, равном высоте изображения фотоприемника;

УТ- скорость движения теста, размерность которой — ширина изображения фотоприемника в единицу времени; tE - время накопления.

Скорость вращения зеркала 16 будет определять значение параметра УТ в формуле (1), а чем выше УТ, тем ниже величина разрешающей способности регистрируемого изображения.

В этой связи хорошие перспективы разработки телекамеры для панорамного наблюдения предоставляет публикация [4]. В ней сообщается о разработке отечественными специалистами панорамного зеркально-линзового объектива, техническое решение которого запатентовано в России [5]. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360° по

Рис. 5. Кольцевое панорамное изображение, захватываемое телекамерой

ся, что мишень фотоприемника — традиционный прямоугольник форматом 4/3, то использование кристалла становится явно нерациональным, приводящим к избыточному увеличению как его размеров, так и числа элементарных ячеек (пикселов), на нем сформированных.

В цепочке обязательных пошаговых действий для новой телевизионной системы, представленной на рис. 4, появляется новый шаг 4 — «Преобразование кольцевого панорамного изображения в обычное изображение».

Число п «прямоугольных» кадров, соответствующих одному «кольцевому» кадру, может быть определено по формуле:

п = 360/уг, (2)

где уг — горизонтальный угол поля зрения (в градусах) наблюдаемого оператором изображения.

Предположим, что горизонтальный угол поля зрения (уг) изображения, наблюдаемого с экрана видеомонитора, составляет, как и в американском прототипе, 22,5°. Тогда кольцевое панорамное изображение, захватываемое телекамерой, как показано на рис. 5, условно разделяется на 16 областей в соответствии с необходимым числом п, равным 16 для количества «прямоугольных» кадров при считывании одного «кольцевого» кадра.

Панорамное изображение, предлагаемое оператору компьютера, представлено на рис. 6.

Очевидно, если необходимо обеспечить для оператора четкость наблюдаемого изображения 360(Н)х582(У) элементов, то матрица фотоприемника должна иметь по горизонтали не более 360x6 элементов или 2160 пикселов, а по вертикали — не более 582x4 элементов или 2328 пикселов. В результате требуемое число элементов матрицы будет составлять 5 028 480 пикселов, то есть более 5 мегапикселов.

Очевидно и другое. Если угол уг будет больше 22,5°, тогда число п областей кольцевого изображения будет меньше 16, а требования по разрешающей способности матрицы фотоприемника будут снижены.

Современные мегапиксельные матрицы ПЗС имеют явное ограничение по скорости тактирования фазных электродов выходного регистра: максимальная частота опроса пиксела не превышает 40 МГц. Поэтому частота кадров новой панорамной телекамеры на ПЗС должна быть выбрана значительно ниже 50 Гц, что не всегда допустимо по причине внесения дополнительных искажений видеосигнала при регистрации динамичных сюжетов.

Однако стремительно развивающаяся технология производства матриц КМОП вполне может исправить

эту ситуацию в ближайшее время, ибо максимально допустимая частота опроса пикселов в этих фотоприемниках уже превзошла отметку 100 МГц. По оценкам, приведенным в [8, с. 75], «технология КМОП позволяет достаточно простыми средствами организовать фотоприемник, содержащий очень большое число пикселов и имеющий очень большую площадь кристалла, например, совпадающую с размером кадра стандартной фотопленки».

Принимая ситуацию с фотоприемником для панорамной телекамеры как вполне обнадеживающую, а прогнозируемый размер кристалла матрицы КМОП как благоприятный для проектирования ПЗЛК, вернемся к оценке возможности преобразования кольцевого изображения в обычное изображение. Заметим, что в рассматриваемом нами примере одному кольцевому кадру должно соответствовать 16 обычных (прямоугольных) кадров. Сегодня, в век компьютеров, существует опыт разработки профессиональных программ для оптического моделирования. Следовательно, операция по шагу 4 может считаться практически осуществимой программным путем в реальном масштабе времени, что отмечается и авторами работы [4].

При сохранении структурной схемы новой телевизионной системы, аналогичной системе на рис. 1, действие

по шагу 4 целесообразно выполнить в специализированном процессоре сервера 12.

Для новой телекамеры панорамного наблюдения следует отметить важное обстоятельство. Угловое поле зрения фотоприемника по горизонтали в 360° приводит к оценке сюжетной ситуации как наблюдения объектов с различной освещенностью одновременно, то есть в условиях сложной освещенности и в одном телевизионном поле. В этих условиях телекамера должна иметь исключительно широкий динамический диапазон, который достигается организацией многоканального преобразования «свет - сигнал» в фотоприемнике [6, 7]. В реальном масштабе времени для ПЗС-

матриц доступно лишь двухканальное преобразование, следовательно, ограничение динамического диапазона неизбежно и очевидно. При использовании матриц, выполненных по технологии КМОП, динамический диапазон телекамеры может перекрывать 120 дБ, так как управление крутизной принципиально возможно в каждом пикселе фотоприемника. Основанием для этого является реализация в современных КМОП-фотоприемни-ках революционной и перспективной концепции преобразования аналоговых зарядовых пакетов в цифровой поток данных сразу же на матрице. Тогда шаг 3 на рис. 4 выполняется одновременно с шагом 1.

По этой причине для телекамеры

с панорамным зеркально-линзовым объективом предпочтительнее применять не ПЗС, а КМОП-матрицы.

Есть и другая причина в пользу этого выбора. Технология изготовления ПЗС не совместима с КМОП-техно-логией производства микросхем для вычислительной техники. Именно благодаря технологии КМОП-фото-приемники могут скачком «взять на вооружение» все самые современные достижения микроэлектронной вычислительной техники в направлении создания «видеосистем на кристалле». В этой ситуации шаг 4 может быть выполнен тоже в составе телекамеры, а техническое воплощение этого замысла становится задачей только для программиста.

Литература

1. Владо Дамьяновски. CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии./ пер. с англ. — М.: ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.

2. Whiting Joshua B., Barker Alex C. Panoramic digital camera system. Патент США № 6034716, H04N 7/00, 348/36, 348/37, заявлен 18.12.1997, опубликован 07.03.2000.

3. Gurley Thomas M., Haslett Carl J. Resolution Considerations in Using CCD Imagers in Broadcast-Quality Cameras. /«SMPTE», № 9, 1985, с. 882 - 895.

4. Соломатин В.А. Панорамная видеокамера./ Оптический журнал, том 74, № 12, декабрь 2007, с. 30 - 33.

5. Куртов А.В., Соломатин В.А. Панорамный зеркально-линзовый объектив. Патент России №2185645, G02B13/06, G02B17/08, заявлен 22.12.1999, опубликован 20.10.2001.

6. Смелков В.М. Аналитическая оценка многоканального способа расширения динамического диапазона телевизионной системы./ Специальная техника, 2007, № 2, с. 25 - 29.

7. Смелков В.М. Иду на растр: Эссе об изобретениях по классу H04N / Великий Новгород, Изд. НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2007. — 176 с.

8. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К., 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.

Общество с ограниченной ответственностью

СПЕЦИАЛЬНЫЕ Т ЕХНИЧЕСКИЕ И К РИМИН А АИСТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА

Лицензии ФСБ № БЭ19504 (219Т),Б319508 (220Т),БЗ 19509 (218Т)

I Оснащение субъектов оперативно-розыскной деятельности, служб безопасности;

I технические средства для обеспечения безопасности бизнеса;

I криминалистическое оборудование.

127106 Москва, ул. Гостиничная, 10а, тел.: (495) 482-2194, 482-0529, 482-0547 м. «Владыкино»