Метод построения телевизионной камеры для панорамного

СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович,
доктор технических наук
МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ
ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ
ДЛЯ ПАНОРАМНОГО
НАБЛЮДЕНИЯ
ДИНАМИЧНЫХ СЮЖЕТОВ
В работе [1] обсуждалось техническое решение цифровой телекамеры кругового обзора с использованием панорамного зеркально-линзового объектива и матричного
фотоприемника, выполненного по технологии КМОП. Телекамера подключена к серверу, являющемуся узлом локальной вычислительной сети, и позволяет оператору персонального компьютера увидеть на экране видеомонитора
панорамное изображение в виде последовательности традиционных «прямоугольных» кадров. Число кадров определяется углом поля зрения контролируемого изображения
по горизонтали, который связывает его разрешающую способность и число элементов (пикселов) матрицы КМОПтелекамеры. Для технической реализации этого проекта
требуется матричный фотоприемник с большой информационной емкостью, однако современные мегапиксельные
матрицы КМОП максимального формата 2592×1944 имеют
ограничение по частоте кадров фотоэлектрического преобразования до (2…4) Гц из-за сегодняшних технологических возможностей их производства [2]. Низкая же частота
кадров панорамной телекамеры будет обязательно приводить к искажениям изображения подвижного объекта и,
прежде всего, к нарушению слитности восприятия, даже
при его воспроизведении с частотой 100 Гц на стандартном
компьютерном видеомониторе.
10
В настоящей статье рассматривается альтернативный метод построения панорамной телекамеры, в которой обеспечивается повышение частоты кадров фотоэлектрического
преобразования путем распараллеливания мишени фотоприемника в целях использования матриц КМОП или ПЗС
обычного формата. Основная идея метода во многом была
подсказана решением другой задачи в работе [3], опубликованной более четверти века назад.
Структурная схема устройства панорамного наблюдения, реализующая данный метод, представлена на рис. 1.
Поставленная задача решается тем, что в плоскость выходного изображения панорамного объектива 1-1 введена волоконно-оптическая насадка 1-2, имеющая n световодных
ответвлений (жгутов), каждый из которых состыкован через волоконно-оптическое сочленение с мишенью датчика видеосигнала 1-3. Выходы всех n датчиков видеосигнала
подключены к соответствующим входам блока восстановления изображения 1-4, выход которого является выходом
телекамеры.
Число n жгутов насадки и соответственно датчиков видеосигнала удовлетворяет соотношению:
n = 360/γг,
где γг – горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения.
РЕШЕНИЕ
Рис. 1. Структурная схема устройства панорамного телевизионного наблюдения
Предположим, что горизонтальный угол поля зрения (γг)
изображения, наблюдаемого с экрана видеомонитора (5),
составляет 60 градусов. Тогда n = 6, а кольцевое изображение на выходе панорамного объектива 1-1 при помощи насадки 1-2 необходимо разделить на шесть областей захвата (рис. 2).
Оптические изображения этих областей проецируются
соответственно на мишени шести датчиков видеосигнала
1-3, которые параллельно формируют шесть телевизионных сигналов их регистрации. Точками на рис. 2 отмече-
но начало первой строки регистрации датчика видеосигнала.
В блоке 1-4 осуществляется цифровая запись панорамного изображения по критерию, когда одному «кольцевому» кадру соответствуют шесть «прямоугольных» кадров в
последовательности: Область 1 – Область 2 – Область 3 –
Область 4 – Область 5 − Область 6 (рис. 3) с одновременным выполнением коррекции геометрических искажений
каждого из участков оптического панорамного изображения.
11
Спецтехника и связь № 3 2008
Рис. 2. Пример размещения областей захвата в плоскости выходного изображения панорамного объектива
Рис. 3. Пример последовательности кадров панорамного изображения, предлагаемой оператору
С выхода телекамеры 1 этот цифровой сигнал по скоростному интерфейсу, например USB 2.0, поступает на сервер
2 и предоставляется пользователям персональных компьютеров на выходе «сеть».
Локальную вычислительную сеть, подключенную к серверу 2, образуют персональные компьютеры, каждый из которых оснащен системным блоком 3, манипулятором «мышь»
4 и видеомонитором 5. Оператор каждого персонального
компьютера может осуществить при помощи манипулятора «мышь» 4 селекцию предлагаемого изображения и его
вывод на экран видеомонитора 5. При равных условиях, по
отношению к решению [1], частота кадров преобразования
«свет – сигнал» в новой телекамере может быть увеличена в шесть раз, то есть с (2…4) до (12…24) Гц, что гарантирует оператору компьютера повышение слитности восприятия изображения подвижного объекта. С другой стороны,
современные датчики видеосигнала на ПЗС и КМОП, имеющие число элементов 500×582 и 752×582, обеспечивают качественное фотоэлектрическое преобразование и на частоте 50 Гц, то есть способны усилить этот эффект.
Пусть горизонтальный угол поля зрения (γг) изображения, наблюдаемого с экрана видеомонитора 5, составля-
ет 22,5°. Тогда n = 16, а кольцевое изображение на выходе
панорамного объектива 1-1 при помощи насадки 1-2 необходимо разделить на шестнадцать областей захвата. В этом
случае оператору будет предложена 16-кадровая последовательность панорамного изображения, но потребуется и
16 датчиков видеосигнала.
Очевидно, что это и дальнейшее продолжение процесса
распараллеливания входного окна телекамеры должно рассматриваться с учетом всех компромиссов по конструированию и производству телекамеры и ее оптических элементов.
В качестве заключения
Предложенный метод построения телекамеры
может быть использован для решения задачи панорамного телевизионного наблюдения динамичных
объектов и хочется надеяться, что найдет «нишу»
своего практического приложения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Смелков В.М. К вопросу построения телевизионной камеры для панорамного наблюдения/ Спецтехника и связь, 2008,
№ 1, с. 12 − 17.
2. www.evs.ru. Бескорпусные мегапиксельные телевизионные USB 2.0 камеры.
3. Устройство для получения телевизионных изображений с помощью матриц с зарядовой связью и передающая система с подобным устройством. Описание к заявке Франции №2476949, H04N 5/32, A61B 6/00, H04N 3/15, H05G 1/60, заявлено 22.02.1980, опубликовано 28.08.1981.
12