CC BY
70
УДК 629.7.018
М.Б. Цудиков, канд.техн. наук, доц., (4872) 350219, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ПРИВЕДЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ИЗ КАМЕРЫ
ТИПА «РЫБИЙ ГЛАЗ» К СТАНДАРТНОМУ ТЕЛЕВИЗИОННОМУ
Рассматриваются особенности передачи изображения из камеры типа «Рыбий глаз» и приведения этого изображения к стандартному телевизионному. Определена информационная емкость полученного изображения.
Ключевые слова: объектив типа «рыбий глаз», панорамирование, пиксель, фотоэлектрический преобразователь.
Одним из способов повышения быстродействия системы панорамирования является обеспечение статического положения объектива и возможности управления пространственным положением виртуальной линии визирования, привязанной к центру экрана монитора оператора. Это возможно сделать, если использовать в панорамном оптико-механическом устройстве (ПОЭУН) сверхширокоугольный объектив и ТВ-камеру с высоким разрешением.
Камеру предлагается построить на базе варифокального панорамного объектива "рыбий глаз" YV2.2x1.4A-2 (Fish-Eye) компании «Гицпоп» (рис. 1), предназначенного для систем видеонаблюдения с постоянным уровнем освещенности.
Рис. 1. Объектив 1/3", 1.4-3.1 мм (¥ІБк-Еуг)
Объектив имеет следующие характеристики:
диапазон фокусных расстояний........................1,4х3,1(2,2х);
величина относительного отверстия диафрагмы.........1:1,4;
настройка регулируемых параметров:
оптическоеувеличение.......................................вручную;
фокус......................................................вручную;
диафрагма..............................................вручную;
угла обзора, град.......................................185;
размеры изображаемого объекта:
при минимальной дистанции наблюдения, мм.............448*287;
крепление объектива..................................СБ;
масса объектива, г...................................70;
габариты объектива, мм...............................59,5*45*45.
Благодаря сверхширокому углу обзора панорамный объектив позволяет проводить обзор полусферы окружающего пространства, одновременно обеспечивая высокую глубину резкости получаемого изображения. Отличительной особенностью панорамного объектива является изображение, формируемое на мониторе в виде круга, вписанного в черный прямоугольник. Панорамная камера, построенная на базе данного объектива, не имеет подвижных механических узлов и способна мгновенно переключаться с одного направления наблюдения на другое. Изображение, формируемое объективом «рыбий глаз», с помощью соответствующих преобразований можно привести к стандартному телевизионному.
Рассмотрим фотоэлектронный преобразователь (ФЭП) с системой координат £ (направлена вдоль одной из сторон матрицы), т (направлена вдоль другой стороны матрицы) (// (направлена перпендикулярно плоскости матрицы) и совпадает с главной оптической осью объектива (рис. 2). Произвольная точка с координатами £, т образует с осью угол (рис. 2, а):
а
Ф = агС£—.
Точка, удаленная от центра матрицы на расстояние р, представляет собой проекцию линии визирования, образующей угол в с осью ог, в плоскости гоц/. Между углами в и радиусами р устанавливается функциональная связь р = р(0) или в = 6(р).
-1- ■■ -
- -I . ...
/ Г-" ... - №
. ^ ■■■ ~
.... г- -1- а • — - --
... , ... -4- ... -
■ ...
-- ... ... ■
ч ■ ... — - Г
■ Ч Г- ...... -Л—
■■■
У
У.
а б
Рис. 2. Проекции углов визирования на матрицу ФЭП: а - вид сверху; б - сечение вдольрадиуса г
При съемке точки обычной ТВ-камерой (рис. 3), центр которой смещен по оси (// на величину а и отстоит на расстоянии Р от наблюдаемого объекта (в' - проекция угла в на плоскость сов 2).
х У
у =------; в = агС^------.
соб^ у + а
Рис. 3. Проекции точки при съемке обычной ТВ-камерой: а - вид сбоку, б - вид сверху
Таким образом, получена система зависимостей, позволяющих пересчитать координаты х и у объекта в координаты матрицы ФЭП, оснащенной объективом «рыбий глаз». При формировании виртуального изображения обычной ТВ-камеры должна быть учтена кратность ее объектива. Благодаря пересчету, система позволяет производить полный обзор или виртуальное сканирование сцены. Виртуальный поворот в заданный сектор обзора при сканировании является мгновенным и производится пересчетом сразу после получения соответствующей команды оператора.
Для окончательного формирования изображения необходимо произвести пересчет яркостей пикселей изображения, представленного в исходной системе координат, в яркости пикселей изображения в формируемой системе координат (рис. 4). При этом будем считать, что пиксели исходной системы координат расположены в узлах квадратной сетки, а пиксели формируемой системы координат (а, р) занимают произвольное положение на плоскости.
Рис. 4. Пересчет яркостей пикселей
Разобьем каждый квадрат сетки пикселей, лежащий между координатами А и А + Д на два треугольника диагоналями, ведущими, например, из левого нижнего в правый верхний пиксель. Левый нижний пиксель имеет координаты (А, В + Д), правый верхний пиксель имеет координаты (А + Д В). Местоположение пикселя относительно треугольников определяется следующими системами неравенств:
Ха> А, Уа > В, Ха + Уа- А - В-Д< 0;
X р< А + Д, Ур< В, Xр+ Ур- А - В -Д> 0.
Рассмотрим пиксель, лежащий внутри треугольника с координатами (хь у{), (х2, у2), (х3, у3). Пусть пиксель с координатами (хь у\) имеет яркость Т]1, пиксель с координатами (х2, у2) имеет яркость т]2, а пиксель с координатами (х3, у3) имеет яркость т]3. Тогда в пространстве (х, у, т]) координаты/яркость через три ТОЧКИ (х1, у1, Г}1) (х2, _у2, Т]2), (х3, _у3, Т}3) можно провести плоскость
= 0
Будем считать, что в рассматриваемом пространстве пиксель, лежащий внутри треугольника, принадлежит также рассматриваемой плоскости. Тогда яркость этого пикселя будет определяться выражением
У1 41 1 Х1 1 Х1 У1 1 Х1 У1
У2 ^2 1 Х + ^2 Х2 1 У + Х2 У2 1 4~ Х2 У2 ^2
У3 ^3 1 ^3 Х3 1 Х3 У3 1 Х3 У3 ^3
4а,Р
Х1 У1 У1 1 Х1 1
Х2 У2 ^2 — У2 ^2 1 Ха,Р ^2 Х2 1
Х3 У3 ^3 У3 ^3 1 ^3 Х3 1
Уа,Р
Х1
х2
Х3
У1
У2
У3
В контексте данной задачи местоположение начального пикселя несущественно, поэтому можно считать координаты пикселя, лежащего в вершине прямого угла, равными (0, 0). С учетом этого выражение для пикселя а будет иметь вид
л -42 )ха,р+(т -43 )уа,р
4а,Р =А^1--------------^--------------—,
где при расчете яркости пикселя а считается, что первый пиксель лежит в вершине прямого угла, второй пиксель лежит вправо по горизонтали от первого, а третий пиксель лежит вниз по вертикали от первого; при расчете яркости пикселя Р считается, что первый пиксель лежит в вершине прямого угла, второй пиксель лежит влево по горизонтали от первого, а третий пиксель лежит вверх по вертикали от первого; при расчете яркости пиксе-
235
ля а отсчет координаты ха идет от первого пикселя вправо, отсчет координаты уа идет от первого пикселя вниз; при расчете яркости пикселя Р отсчет координаты хр идет от первого пикселя влево, отсчет координаты ур идет от первого пикселя вверх.
Таким образом, для пересчета значения яркости одного пикселя достаточно выполнить три операции умножения, четыре операции сложения и одну операцию деления. Общая вычислительная сложность алгоритма будет определяться объемом формируемого изображения.
Для примера рассмотрим бескинематическую камеру, используемую в помещении, имеющем в плане квадрат, и подвешенную к потолку в центре помещения (рис. 5, а).
а б
Рис. 5. Охраняемые параметры с помощью сеерхширокоугольного объектива: а - охраняемое пространство; б - отображение
охраняемого периметра
На рис. 5,6 приведено типовое отображение охраняемого периметра помещения на матрицу ФЭП в бескинематической камере. Цифрами обозначены: 1 - охраняемый объем; 2 - бескинематическая камера, подвешенная к потолку помещения; 3 - виртуальная ТВ-камера, «помещенная» в центр охраняемого объема для обеспечения оптимальных условий наблюдения; 4 - направление «главных оптических осей» виртуальной ТВ-камеры; 5 - матрица ФЭП; 6 - проекция охраняемого периметра на матрицу фоточувствительных элементов; 7 - проекция пола на матрицу ФЭП.
Очевидно, что при угле зрения, равном 90°, верхняя часть периметра отображается «рыбьим глазом» в круг, за которым начинается виньетирование. Линии пересечения стен помещения наблюдаются под большими углами, чем центры стен, и отображаются объективом в прямые, исходящие из центра проекции. Для уменьшения потерь круг поля зрения объектива должен быть вписан в меньшую из сторон матрицы ФЭП.
Предположим, что матрица имеет размеры Их*Иу пикселей, и в результате преобразований формируются 4 телевизионных изображения в п телевизионных линий (твл). Тогда коэффициент использования матрицы ФЭП может быть оценен как
k =-------100 %.
3NxNy
При преобразовании изображения, формируемого матрицей 2048*1536 пикселей в телевизионный формат 256 твл, коэффициент использования равен 11 %.
Таким образом, анализ бескинематического ПОЭУН позволяет определить область его использования в задачах охранного видеонаблюдения.
В частности, оно может быть применено при наблюдении пространства внутри небольших помещений, а отсутствие подвижных частей в данных камерах и одновременный осмотр всего периметра позволяет получить простую и надежную ПОЭУН. В случае больших помещений целесообразно использовать программное преобразование и вывод изображения на несколько виртуальных камер.
Список литературы
1. Грязин Г.Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства. Л.: Машиностроение, 1988. 224 с.
2. Ермаков О.Н. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004. 416 с.
3. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды / под ред. В.Н. Рождествина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 528 с.
4. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике / под ред. В.И. Алексеева. М.: Мир, 1971. 496 с.
M. B. Tsudikov
REDUCTION OF THE IMAGE FROM THE TYPE CHAMBER «FISH EYE» TO THE STANDARD TELEVISION
It is considered features of transfer of the image from the type chamber «Fish eye» and reductions of this image to the standard television. The information capacity received is defined.
Key words: a type lens «the fish eye», a panorama, pixel, the photo-electric converter.
Получено 03.10.11
