Доступ: Анонимный

СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович

МЕТОД “PIР” ДЛЯ ОХРАННОЙ ТЕЛЕКАМЕРЫ КРУГЛОСУТОЧНОГО НАБЛЮДЕНИЯ

Термин “PiР” является английской аббревиатурой от словосочетания “picture in picture”, что означает “изображение в изображении” или “картинка в картинке”.

Рассматривая ретроспективно метод “PiР” в телевидении, необходимо отметить, что он впервые был предложен для использования в телевизионных приемниках, предоставляя возможность телезрителю наблюдать на экране одновременно две и более программ [ 1] .

В настоящее время функция “PiР” – обязательный режим современных моделей телевизоров с диагональю экрана 29 дюймов и больше.

Автор настоящей статьи предлагает внедрить метод “PiР” в охранную телекамеру с целью повышения вероятности принятия оператором правильного решения за счет быстродействующего масштабирования в границах окна телевизионного изображения зоны нарушения.

При моделировании систем охранного телевидения (СОТ) считается постулатом, что большое время, потраченное на проверку истинности сигнала тревоги и оценку ситуации, сводит на нет все усилия по охране объектов [ 2] . Поэтому в течение довольно малого промежутка времени реагирования оператор СОТ должен принять правильное решение.

Известно, что процесс принятия решения оператором включает в себя четыре взаимосвязанных этапа: обнаружение, классификацию, различение и опознавание. Под обнаружением подразумевается выделение объекта на фоне и отнесение его к классам объектов, представляющим потенциальный интерес. Классификация означает отнесение обнаруженного объекта к одному из широких классов (человек, транспортное средство). Различение означает отнесение наблюдаемого объекта к более узкому подклассу (грузовой автомобиль, легковой автомобиль). Наконец, на стадии опознавания устанавливается тип объекта (марка автомобиля).

Например, по информации [httр://www.cctv-information.co.uk] , МВД Великобритании рекомендует иметь не менее 10% растра на высоту изображения обнаруживаемого человека, а для опознавания человека – не менее 50%.

Учитывая, что современные вариообъективы имеют как минимум 6-кратный диапазон изменения фокусного расстояния, простым способом обеспечения как обнаружения, так и опознавания объекта одной телекамерой является использование в ней трансфокатора.

Однако следует согласиться с тем, что конечное время изменения (регулировки) фокусного расстояния вариообъектива вступает в противоречие с требуемым малым временем реагирования оператора СОТ на тревожную ситуацию.

В работе [ 3] предлагается запатентованное в США техническое решение телекамеры на матрице приборов с зарядовой связью (ПЗС), обеспечивающей селективное электронное увеличение участка (фрагмента) изображения и его размещение в комбинированном изображении по месту первоначального выбора. По аппаратным возможностям эквивалентом этой телекамеры являются две обычные плюс видеомикшер. Метод реализации “PiР” является цифровым, благодаря которому время масштабирования практически исключается, а увеличенное в окне изображение нарушителя может быть показано оператору сразу (без задержки) после регистрации тревоги. Т. к. одновременно с изображением зоны нарушения оператору предъявляются и ее окрестности, то вероятность правильного решения дополнительно увеличивается.

Но этому решению сопутствует и существенный недостаток, заключающийся в пониженной разрешающей способности увеличенного фрагмента как в продольном, так и в поперечном направлениях по отношению к показателю разрешающей способности остальной части изображения. Это определяется тем, что в увеличенном изображении выбранного участка, по сравнению с его первоначальным (нормальным) изображением, рост геометрических размеров фрагмента сопровождается использованием одного и того же числа светочувствительных элементов матричного ПЗС для формирования обоих изображений. Таким образом, увеличенное изображение имеет пониженную величину частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) для средних и верхних пространственных частот, а само оно воспринимается оператором как растянутое в обоих направлениях.

Поэтому 6-кратное цифровое масштабирование изображения в окне этой камеры не позволяет оператору перейти от уровня видения “обнаружение человека” до уровня видения “опознавание человека”.

Специалистами ФГУП НИИ промышленного телевидения “Растр” (Великий Новгород) разработаны технические решения телекамер с селективным масштабированием [ 4, 5] , в которых реализован высокоскоростной аналоговый метод “PiР”, но без потерь разрешающей способности изображения.

В развитие этих решений предлагается структурная схема новой телекамеры для круглосуточной охраны, выполненная на базе двух (цветной и черно-белой) ПЗС-матриц. Структурная схема камеры представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема телекамеры “день – ночь”

Технический результат предлагаемого решения заключается в следующем:

• быстродействующем автоматическом формировании камерой днем по сигналу тревоги комбинированного изображения, которое состоит из монохромного окна, содержащего увеличенное по масштабу черно-белое изображение центрального фрагмента зоны нарушения, и цветного изображения на остальной части растра в нормальном масштабе (масштабе первоначально предъявляемого изображения) при неизменном показателе разрешающей способности в пределах всего комбинированного изображения;
• реализации автоматической коммутации “день-ночь” по критерию априори выбранного отношения сигнал/шум с переходом камеры из режима цветного изображения днем в режим увеличенного по масштабу на весь растр черно-белого изображения ночью.

Телекамера содержит оптический блок (1), первый датчик телевизионного сигнала (2), второй датчик телевизионного сигнала (3), блок коммутации и формирования (4), селектор синхроимпульсов (5), пиковый детектор (6), детектор движения (7), формирователь импульсов записи и сброса (8), блок выборки хранения (9) и компаратор (10).

Оптический блок (1) содержит светоделитель (1-1), корректирующий светофильтр (1-2), первый объектив (1-3) и второй объектив (1-4). Светоделитель (1-1) выполнен в виде призмы с двумя светоделительными гранями, расположенными под углом 30° , а корректирующий светофильтр (1-2) – в виде призмы с одной спектроделительной гранью. Отношение фокусного расстояния второго объектива (1-4) к фокусному расстоянию первого объектива (1-3) определяет кратность масштабирования (К_м) оптического блока.

Выделим в работе телекамеры три режима:

• “День” (режим 1);
• “Ночь” (режим 2);
• “Тревога” (режим 3, который может сопутствовать как режиму 1, так и режиму 2).

Независимо от режима работы камеры оптическое изображение объекта контроля по оптическому пути: первая светоделительная грань призмы светоделителя (1-1), вторая светоделительная грань призмы светоделителя (1-1), спектроделительная грань призмы корректирующего светофильтра (1-2), вторая грань призмы корректирующего светофильтра (1-2), первый объектив (1-3) проецируется в видимом спектральном диапазоне на фотомишень датчика (2). Одновременно увеличенный в К_м раз центральный фрагмент этого изображения по другому оптическому пути: первая светоделительная грань призмы светоделителя (1-1), вторая светоделительная грань призмы светоделителя (1-1), третья грань призмы светоделителя (1-1), второй объектив (1-4) во всем спектральном диапазоне (видимом и инфракрасном) проецируется на фотомишень второго датчика (3).

Отметим, что инфракрасная область спектра последнего изображения дополнительно усиливается за счет светового потока, отраженного спектроделительной гранью призмы корректирующего светофильтра в направлении третьей грани светоделителя.

В результате фотоэлектрических преобразований на выходе первого датчика (2) формируется цветной сигнал изображения объекта контроля, а на выходе второго датчика (3) – черно-белый сигнал его увеличенного (в соответствии с кратностью масштабирования) центрального фрагмента, которые действуют как параллельные полные телевизионные сигналы. Селектор (5) выделяет из полного телевизионного сигнала датчика (2) строчные и кадровые синхроимпульсы.

Независимо от режима работы телевизионной системы формирователь (8) вырабатывает в пределах каждого кадрового бланка следующие с периодом полукадров (Т_п) импульсы записи и сброса.

Пиковый детектор (6) с периодом Т_п измеряет уровень видеосигнала с датчика (2), блок выборки-хранения (9) регистрирует этот уровень и запоминает его на время полукадра, а компаратор (10) оценивает выходное напряжение блока (9), сравнивая его с пороговым напряжением U_п.

Предположим, что телекамера работает в режиме 1, а компаратор (10) не изменяет своего состояния по выходу, поддерживая состояние логической “1”. Присутствие логической “1” на втором управляющем входе блока (4) обеспечивает трансляцию на его выход полного телевизионного сигнала с выхода датчика (2).

Пусть при этом детектор движения (7) подготовлен к работе, т. е. выбрана охраняемая зона (пунктир по периметру на рис. 2а), которая отмечает на изображении зону повышенного интереса для оператора.

Предположим, что затем детектор движения (7) инициализируется, т. е. устанавливается в режим анализа изменений входного видеосигнала в выбранной зоне. Допустим, что в режиме 1 в текущий момент движущиеся объекты (нарушители) в охраняемой зоне отсутствуют. Поэтому на втором выходе детектора движения (7) присутствует логическая “1”, которая, поступая на первый управляющий вход блока (4), блокирует (отменяет) формирование монохромного окна на его выходе. На экране видеоконтрольного блока воспроизводится “нормальное” по масштабу цветное изображение наблюдаемого первым датчиком (2) пространства (рис. 2а). Далее пусть в некоторый момент в охраняемой зоне появляется нарушитель. Тогда детектор движения (7) зарегистрирует изменения видеосигнала, а на втором его выходе установится уровень логического “0”. Телекамера переходит в режим “1+3”. В результате на выходе блока (4) формируется комбинированное изображение, содержащее “нормальное” цветное изображение и монохромное окно, в котором с линейным увеличением в К_м раз передается черно-белое изображение зоны нарушения. Этот комбинированный сигнал изображения транзитом через детектор движения (7) подается на вход видеоконтрольного блока для предъявления оператору, как показано на рис. 2б. Отметим, что монохромное окно с линейным увеличением содержимого появляется без задержки, т. е. практически мгновенно по отношению к моменту автоматической регистрации нарушителя, что исключительно ценно для охранных телевизионных систем.

а) в режиме “1”;

б) в режиме “1 + 3”
Рис. 2. Характерные изображения, формируемые телекамерой:

После принятия оператором решения по факту регистрации телекамерой нарушения в охраняемой зоне, она должна быть переведена вновь в режим 1 работы. Для этого оператором при помощи воздействия на второй вход детектора (7) осуществляется принудительный сброс сигнала тревоги.

Если освещенность на объекте существенно уменьшится, например, при переходе из дневного суточного времени в вечернее, то размах видеосигнала первого датчика (2) также снизится.

Если измеренное в момент t₀ пиковым детектором (6) и регистрируемое блоком выборки-хранения (9) значение уровня видеосигнала окажется меньше величины порогового напряжения U_п, то компаратор (10) перейдет в состояние логического “0”, а камера – в режим 2.

Тогда в блоке (4) будет осуществлена внутренняя коммутация, а на его выход будет транслироваться полный телевизионный сигнал с выхода датчика (3). В результате на экране видеоконтрольного блока воспроизводится “распахнутое” на весь растр черно-белое изображение охраняемой зоны с кратностью масштабирования К_м. Следует отметить, что характер этого изображения не изменится, если в охраняемой зоне произойдет нарушение, которое будет зарегистрировано детектором движения (7), а телекамера перейдёт в режим “2+3”.

Если в этой ситуации после принудительного сброса тревоги освещённость на объекте увеличится в результате суточного перехода “ночь-день”, то предлагаемая камера автоматически вновь перейдет из режима 2 в режим 1.

Заключение

Несомненно, что развитие СОТ идет в направлении интеллектуализации техники на основе цифровых методов обработки видеосигнала. Однако эксплуатация охранных комплексов показывает, что широкое внедрение компьютеров не исключает роли человека в принятии решения в силу большой неопределённости сюжетов на охраняемых объектах и необратимости процессов, порождаемых ошибочными решениями.

Автор надеется, что реализация предложенного в настоящей работе аналогового метода формирования тревожных изображений способна реально помочь оператору СОТ в его работе.

Литература

1. Патент на изобретение Великобритании № 1495173. МКИ² Н04N ⁵/_44. Опубликован 14.12.1977.
2. Никитин В. В., Цыцулин А. К. Телевидение в системах физической защиты. Изд-во С Пб ГЭТУ “ЛЭТИ”, 2001.
3. Патент на изобретение США № 4002824. МКИ² Н04N ⁷/_00. Опубликован 11.01.1977.
4. Телевизионная камера с селективным масштабированием. Патент на изобретение Российской Федерации № 2171014. МКИ⁷ Н04N ⁵/_{225, .} ⁵/₂₂₈ Авторы: Смелков В. М., Смоляков Ю. А., Егорова Н. Н., Петрова В. М. Опубликован 20.07.2001.
5. Телевизионная камера с селективным масштабированием. Патент на изобретение Российской Федерации № 2174745. МКИ⁷ Н04N ⁷/_{00, .} ⁷/₁₈ Авторы: Смелков В. М., Смоляков Ю. А., Антонов В. Е., Петрова В. М. Опубликован 10.10.2001.

Статья опубликована на сайте: 12.04.2006