СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, кандидат технических наук
ОХРАННАЯ ТЕЛЕКАМЕРА С СЕЛЕКТИВНЫМ МАСШТАБИРОВАНИЕМ: НОВОЕ РЕШЕНИЕ
В работе [1] предлагается техническое решение охранной телевизионной камеры по методу селективного увеличения (масштабирования) фрагмента первоначально предъявляемого оператору изображения. Достоинствами примененного метода являются:
- использование вместо трех приборов одного и отказ от сложного и дорогостоящего вариообъектива;
- высокое быстродействие выполнения операции “селективное масштабирование”;
- отсутствие потерь разрешающей способности в пределах всего комбинированного изображения.
Однако следует признать, что возможности оператора по масштабированию ограничены выбором центрального окна, т.е. участка растра, геометрический центр которого совпадает с центром наблюдаемого изображения.
В настоящей работе рассматривается запатентованное ФГУП “НИИ промышленного телевидения “Растр” (Великий Новгород) новое решение охранной телекамеры [2], в котором для масштабирования доступен любой, произвольно выбранный фрагмент растра, а размещение в комбинированном изображении увеличенной части этого окна выполняется в соответствии с его местоположением при выборе.
В основе устройства предлагаемой телекамеры использован аналоговый метод оптико-электронного масштабирования изображения, опубликованный в [3].
Структурная схема новой телекамеры в соответствии с патентным описанием [2] показана на рис. 1. Камера содержит первый объектив (1), первый датчик телевизионного сигнала (2), формирователь сигнала рамки (3), светоделитель (4), второй датчик телевизионного сигнала (5), блок наведения (6), селектор синхроимпульсов (7), коммутатор-смеситель (8), блок фиксированной задержки (9), блок регулируемой задержки (10) и формирователь сигнала синхронизации (11).
Рис. 1. Структурная схема телекамеры
1 – первый объектив; 2 – первый датчик телевизионного сигнала; 3 – формирователь сигнала рамки; 4 – светоделитель; 5 – второй датчик телевизионного сигнала; 6 – блок наведения; 7 – селектор синхроимпульсов; 8 – коммутатор-смеситель; 9 – блок фиксированной задержки; 10 – блок регулируемой задержки; 11 – формирователь сигнала синхронизации.
Для организации скрытого наблюдения предпочтительно использовать в качестве первого объектива (1) широкоугольный фотографический объектив типа “рыбий глаз” с углом зрения по горизонтали около 110 градусов и форматом кадра (24 х 36) мм. Устройство светоделителя (4), блока наведения (6) и селектора синхроимпульсов (7) полностью заимствовано из [3].
В составе светоделителя (4) применены последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало (4-1), коллективная линза (4-2), отражающее зеркало (4-3) и второй объектив (4-4). Размеры оптического кадра на втором выходе светоделителя относительно размеров кадра на его первом выходе определяют кратность оптического масштабирования Км и телевизионное увеличение камеры. Измеряется Км отношением размеров кадра объектива (1) к соответствующим размерам фотомишени датчика (5). Очевидно, что при выборе формата ПЗС, равного 1/3 дюйма, типовое Км составляет около 6x .
Блок наведения (6) предназначен для осуществления пространственного позиционирования по горизонтали и по вертикали второго датчика (5) и съема текущей информации о его положении в системе прямоугольных координат C 0U при помощи датчиков положения. Блок наведения (6) содержит привод горизонтального перемещения (6-1), привод вертикального перемещения (6-2) и кинематически с ними связанные соответственно первый датчик положения (6-3) и второй датчик положения (6-4).
Формирователь рамки (3) вырабатывает два импульсных сигнала:
- сигнал “рамки”,
- сигнал “окошка”.
Размеры “рамки” (a x b ) и “окошка” (A x B) связаны следующими зависимостями:
a=X/Км , A=kX/Км ,
b=X/Км , B=kY/Км ,
где X – размер растра по горизонтали;
Y – размер растра по вертикали;
K – коэффициент кратности, выбираемый в пределах (1…2).
Смещения “рамки” и “окошка” по горизонтали и вертикали определяются величинами постоянных напряжений, подаваемых на вход соответствующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и регулируются раздельно потенциометрами на Rx и RY.Последние, устанавливаемые в блоке наведения (6), являются оперативными органами управления “рамкой” и “окошком”, а одновременно – датчиками положения по горизонтали (6-3) и по вертикали (6-4).
Следует отметить, что для качественной работы телекамеры при ее настройке должна быть выполнена высокоточная регулировка (юстировка) блока наведения (6). В результате юстировки при всех выставляемых положениях движков потенциометров Rx и RY должно обеспечиваться такое пространственное положение датчика (5) относительно светоделителя (4), чтобы проецируемое на его фотомишень увеличенное оптическое изображение оказывалось отцентрированным по горизонтали и вертикали. Обязательным условием для выполнения юстировки является высокий класс точности изготовления всех механических элементов приводов и использование потенциометров Rx и RY с линейной зависимостью изменения сопротивления от угла поворота.
Особенностью датчика (5) является его работа в режиме внешней синхронизации путем подачи на вход “синхро” сигнала синхронизации приемника (ССП) от внешнего формирователя. Этим требованиям удовлетворяет южнокорейский камерный модуль SBC-4KXE, который выполнен на основе ПЗС-матрицы с форматом мишени 1/3 дюйма и числом элементов 795(H) x 596(V). Очевидно, что модуль SBC-4KXE может быть использован и в качестве датчика (2).
Блок (9) предназначен для выполнения постоянной временной задержки строчного синхроимпульса на половину периода строки и кадрового синхроимпульса на половину периода полукадров, т.е.:
t зсф = Tс /2, t зкф = Tк/2,
где t зс ф – задержка по строке, t зкф – задержка по кадру, Tс – период строки, Tп – период полукадров.
Блок (10) предназначен для выполнения управляемой временной задержки синхроимпульсов с выходов блока (9).
Регулируемая задержка по строке t зср удовлетворяет соотношению:
0 < t зср < Tс , (1)
а регулируемая задержка по кадру t зкр удовлетворяет другому соотношению:
0 < t зк р < Tп , (2)
Управление изменением задержек t зс р и t зк р осуществляется соответственно от первого и второго датчиков положения блока наведения (6).
Выделим в работе телекамеры два режима:
- “Выбор фрагмента” (режим 1);
- “Комбинированное изображение” (режим 2).
Независимо от режима работы камеры входное оптическое изображение по оптическому пути: первый объектив (1), полупрозрачное зеркало (4-1), коллективная линза (4-2), отражающее зеркало (4-3), второй объектив (4-4) проецируется на фотомишень первого датчика (2). Одновременно увеличенный в Км раз фрагмент этого изображения по другому оптическому пути: первый объектив (1), полупрозрачное зеркало (4-1) проецируется на фотомишень второго датчика (5). Кроме этого, независимо от режима работы камеры формирователь (3) вырабатывает сигналы “рамки” и “окошка”.
Пусть на управляющий вход коммутатора-смесителя (8) подается сигнал логической “1”, тогда телекамера работает в режиме “Выбор фрагмента”, а на ее выходе видеосигнал нормального по масштабу изображения от датчика (2) микшируется с сигналом “рамки”.
Одновременно увеличенное в Км раз оптическое изображение, геометрический центр которого совмещен с центром “рамки”, проецируется на фотомишень датчика (5).
Допустим, что рамка установлена оператором для выбора центрального фрагмента предъявляемого изображения. При этом движки потенциометров Rx и RY в блоке наведения (6) будут занимать среднее положение, а в блоке (10) будет выполняться задержка строчных и кадровых синхроимпульсов, поступающих с блока (9), соответственно на половину периода строки и на половину периода полукадра. Т.е. в блоке (10) в этом случае длительности задержек составляют:
t зс р =T с /2, (1-1)
t зк р =T п /2, (2-1)
Для иллюстрации на рис. 2в показано временное положение строчного синхроимпульса на выходе блока (10) относительно входного импульса строк, изображенного на рис. 2б. Тогда сигнал синхронизации на выходе формирователя (11) совпадает по фазе с сигналом синхронизации на выходе датчика (2). В результате растр нормального изображения, формируемый датчиком (2), и растр увеличенного изображения от датчика (5), действуют синхронно и синфазно по отношению друг к другу, а при пространственном наложении совпадают, как показано на рис. 3а. Отметим, что на рис. 3 растр нормального изображения отмечен одиночной штриховкой.
Рис. 2. Временная диаграмма, поясняющая формирование задержек по строке
Рис. 3. Относительное положение растров первого и
второго датчиков в зависимости от величин
задержек синхроимпульсов по строке и кадру
Если на управляющий вход блока (8) подается сигнал логического “0”, телекамера переводится в режим “Комбинированное изображение”. В результате на выходе блока (8), а следовательно и камеры, формируется изображение, состоящее из сигнала увеличенного изображения выбранного фрагмента в центре и сигнала нормального изображения на его остальной части.
Допустим, что оператору необходимо проконтролировать увеличенное изображение другого фрагмента, например, находящегося в левой нижней части экрана видеомонитора. Тогда он должен возвратиться в режим работы “Выбор фрагмента”. Далее оператор выбирает новый фрагмент изображения при помощи рамки путем наведения датчика (5), используя для этого блок наведения (6). При этом движки потенциометров Rx и RY в блоке (6) займут новое положение, а блоке (10) будет выполняться другая задержка входных строчных и кадровых синхроимпульсов, удовлетворяющих соотношениям:
0 < t зс р < Tс /2, (1-2)
0 < t зк р < Tп /2, (2-2)
Для иллюстрации на рис. 2г показано временное положение строчного синхроимпульса на выходе блока (10) относительно входного импульса строк, изображенного на рис. 2б. Тогда сигнал синхронизации на выходе формирователя (11) опережает по фазе сигнал синхронизации на выходе датчика (2). В результате растр увеличенного изображения, формируемый датчиком (5) смещен относительно растра нормального изображения, формируемого датчиком (2), как показано на рис. 3б. Поэтому после перевода телекамеры в режим “Комбинированное изображение” увеличенный участок будет располагаться на экране видеомонитора в зоне первоначального выбора, т.е. там, где была установлена рамка.
Рассмотрим ситуацию, когда оператору необходимо проконтролировать увеличенное изображение другого фрагмента, отмечаемого рамкой в правой верхней части экрана монитора. В этом случае движки потенциометров Rx и RY в блоке (6) займут другое положение, а в блоке (10) будет выполняться другая задержка входных строчных и кадровых синхроимпульсов, удовлетворяющих соотношениям:
Tс/2 < t зс р < Tс , (1-3)
Tп/2 < t зк р < Tп , (2-3)
Для иллюстрации на рис. 2д показано временное положение строчного синхроимпульса на выходе блока (10) относительно входного импульса строк, изображенного на рис. 2б. Тогда сигнал синхронизации на выходе формирователя (11) отстает по фазе от сигнала синхронизации на выходе датчика (2). В результате растр увеличенного изображения, формируемый датчиком (5), смещен относительно растра нормального изображения, формируемого датчиком (2), как показано на рис. 3в. Поэтому и в этом случае увеличенное изображение будет располагаться на экране видеомонитора в зоне первоначального выбора.
Отметим, что соотношения (1-1), (1-2), (1-3) являются частными случаями соотношения (1), а соотношения (2-1), (2-2) и (2-3) – частными случаями соотношения (2).
Совершенно аналогично, что если в телекамере будет выбрано любое иное положение рамки, то увеличенный фрагмент будет располагаться в комбинированном изображении не иначе, как в зоне первоначального выбора. Показатель разрешающей способности сохраняется неизменным в пределах всего комбинированного изображения, т.к. оптическое изображение фрагмента “воспринимается” светочувствительными элементами датчика (5) при той же плотности расположения их на единицу длины, что и оптическое изображение остальной части, регистрируемое элементами датчика (2).
В качестве заключения
Устройство предлагаемой телекамеры обладает потенциальной возможностью осуществить спектрозональный или поляризационный анализ передаваемых изображений. Для этого в оптические каналы камеры необходимо дополнительно ввести светофильтры с различным спектральным пропусканием или с различной ориентацией плоскости поляризации. Например, для анализа растительного покрова на первом выходе светоделителя может быть использован светофильтр с пропусканием по спектру до красной области включительно, а на втором выходе светоделителя – инфракрасный фильтр. Когда увеличенный фрагмент изображения регистрирует участок покрова с высоким отражением в инфракрасной области, то его контраст на фоне остальной части изображения существенно выше. Поэтому целесообразно телекамеру установить постоянно в режим 2, а сам процесс анализа производить по методу “электронной лупы”.
В другом примере – для анализа водных объектов, предпочтительно использовать поляризационные светофильтры, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны.
Литература
1. Смелков В.М. Метод PiP для охранной телекамеры круглосуточного наблюдения//Специальная техника. 2002, №3, с.21 – 24.
2. Патент 2199828 РФ. МКИ7 HO4N 5/225, 5/238.Телевизионная камера с селективным масштабированием/В.М. Смелков, Ю.А. Смоляков, В.Е. Антонов и А.П. Огарков// Б.И, 2003, №6.
3. Смелков В.М. Телевизионная камера для скрытого наблюдения и автоматизированной охраны//Специальная техника. –2001, №3, с.20-23.
Статья опубликована на сайте: 12.04.2006