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 КМОП-телекамеры. 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.

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.

Системный блок 3

Сервер оптическая насадка 1-2 с ответвлениями

Телевизионная камера 1

Рис. 1. Структурная схема устройства панорамного телевизионного наблюдения

Датчик 1-3 видеосигнала

Блок 1-4 восстановления изображения

Видеомонитор 5

Предположим, что горизонтальный угол поля зрения ( γ_г ) 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.

Рис. 2. Пример размещения областей захвата в плоскости выходного изображения панорамного объектива

Область

Область

Область

Область

Область

Область

Область

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.