Cámara de televisión de seguridad: una nueva solución que utiliza el método electrónico de escalamiento.
SMELKOV Vyacheslav Mikhailovich,
Candidato de Ciencias Técnicas
En el trabajo [1] Se ha publicado una solución técnica para una cámara de televisión que utiliza el método de escalado de imagen óptico-electrónico.
Sus características distintivas son: principio analógico, sin pérdida de resolución de la imagen ampliada en comparación con el método de escalado digital y negativa a utilizar lentes de zoom.
Este trabajo resuelve el problema de mejorar la calidad de la imagen de un intruso registrado en condiciones de poca iluminación de un área protegida disparando rápidamente un objeto utilizando un método de zoom óptico-electrónico mejorado.
Diecisiete Hace años, en octubre de 1985, el I2S francés anunció una nueva solución técnica [2], que posteriormente se implementó en las cámaras de estado sólido de la serie MONOSHOT.
Traducido del inglés, el término «MONOSHOT» significa «one-shot», lo que refleja con bastante precisión la esencia del método propuesto.
En relación con las cámaras de televisión con CCD matriciales , este método determina las siguientes características del nuevo modo de operación:
- la exposición al proceso fotoeléctrico en el objetivo CCD o el conteo del tiempo de acumulación del fotodetector comienza en un punto arbitrario en el tiempo, determinado por un disparador externo, es decir, actúa de forma asíncrona con el reloj de la cámara;
- la duración de la exposición o la duración del tiempo de acumulación varía dentro de amplios límites, determinados por las limitaciones físicas del fotodetector;
- la señal de vídeo de salida se genera sincrónicamente con el reloj de la cámara dentro de un medio fotograma según al estándar de televisión;
- después del final del tiempo de acumulación, el objetivo CCD se libera a la fuerza de los portadores de carga, es decir, se encuentra en un estado de no acumulación.”
En el modo “MONOSHOT”, la cámara de televisión se convierte esencialmente en un dispositivo para la fotografía televisiva de objetos de control, porque garantiza su registro mediante la generación única de una señal de vídeo utilizando un sensor de imagen CCD.
La posibilidad de aumentar la sensibilidad de una cámara de televisión en modo MONOSHOT mediante la elección óptima del tiempo de acumulación de la matriz CCD se puede implementar con éxito utilizando el método mejorado propuesto de escalado óptico-electrónico en relación con una cámara de televisión de seguridad.
Esto se puede hacer con la siguiente justificación.
En condiciones de poca iluminación, una exposición del fotodetector adecuadamente elegida que dure más de un cuadro conducirá inevitablemente Sin embargo, debido a un aumento en la inercia de la cámara de televisión, tal efecto debe considerarse aceptable, porque En principio, no se pueden obtener contornos claros de objetos en movimiento debido al ruido de los fotones que afecta estas condiciones.
Según el nuevo método, la duración del tiempo de acumulación del CCD en el modo de fotografía de televisión se establece automáticamente en función de la señal de vídeo, por lo que el método recibe el nombre de MONOSHOT–ZOOM-AUTO.”
El diagrama de bloques de una cámara de televisión que utiliza el nuevo método se muestra en la Fig. 1.
La cámara contiene una primera lente (1), un único sensor de señal de vídeo (2), un divisor de haz (3), un sensor de señal de televisión (4), un formador de señal de cuadro (5), una unidad de conmutación (6), un unidad señaladora (8) y un interruptor (9), detector de picos (10), convertidor analógico a digital (ADC) (11), controlador de duración de acumulación (12), monoestable (13) y disparador RS (14).
Fig. 1. Diagrama de bloques de una cámara de televisión
Tenga en cuenta que el módulo de la cámara en modo MONOSHOT se utiliza como sensor (2) y el sensor (4) – módulo de cámara en modo televisión (modo “TV”).
El número 7 en el diagrama muestra convencionalmente una unidad de control de video (VCU).
La señal de entrada “lectura” y la señal de salida “video” para el sensor (2) son señales para emparejamiento. con un ordenador.
El factor de zoom óptico Km del divisor de haz (3) se determina mediante la relación entre las dimensiones del marco de la lente (1) y las dimensiones correspondientes del sensor. objetivo de la foto (2).
С Por otro lado, como en [1], las dimensiones del marco electrónico y las dimensiones del ráster X e Y están relacionadas por la relación:
a = X/Km,
c = Y/Km,
donde a y X son el tamaño horizontal del marco y el ráster, respectivamente,
c e Y son el tamaño vertical del marco y raster, respectivamente.
Considere el funcionamiento de una cámara de televisión
Imagen óptica de la escena observada a lo largo la trayectoria óptica: primera lente (1), espejo translúcido (3-1), lente colectiva (3-2), espejo reflectante (3-3), la segunda lente (3-4) se proyecta sobre el objetivo del sensor (4 ).
Al mismo tiempo, se proyecta sobre la fotografía un fragmento de esta imagen ampliado de acuerdo con el factor de escala del divisor de haz (3) a lo largo de una trayectoria óptica diferente: la primera lente (1), un espejo translúcido (3-1). objetivo del sensor (2).
La imagen en el objetivo fotográfico del sensor (4) se convierte adicionalmente en una señal de video de acuerdo con el estándar de televisión, y los pulsos de sincronización de cuadro de salida (HSI) y línea (HSI) como maestros llevan a cabo el modo esclavo de sincronización de el formador de señal del marco (5), el sensor (2) y la VCU (7).
El moldeador (5) produce una señal de salida de un marco electrónico, las dimensiones geométricas y la posición en cuya trama determina la elección del fragmento antes mencionado de la imagen de entrada presentada.
En este caso, desde la salida del bloque (6) al “vídeo” A la entrada de la VCU (7) llega una señal de mezcla, cuyos componentes son la señal de vídeo del sensor (4) y la señal de fotograma del modelador (5).
La pantalla VKU (7) muestra una imagen normal de la escena observada y una imagen de un marco rectangular (electrónico) que muestra el fragmento seleccionado.
Tenga en cuenta que las unidades (8-1) y (8-2) El sensor (2) se guía horizontal y verticalmente, respectivamente, y los sensores de posición (8-3) y (8-4) controlan el movimiento del marco rectangular en el ráster a lo largo de estas coordenadas.
Para la guía remota al objeto de disparo seleccionado, los accionamientos (8-1) y (8-2) deben estar conectados al bus «Control externo».
Una característica de la solución propuesta es la dependencia lineal de la señal de vídeo procedente del sensor de “vídeo” de salida (4) de la iluminación, es decir, la característica g es igual a 1, así como la ausencia de la influencia del control automático de ganancia (AGC) en esta salida.
Hasta que la señal de pulso llegue a la entrada «Inicio», hay un nivel lógico alto presente en la entrada «configuración de duración de acumulación» del sensor (2), por lo que el sensor (2) está en un estado de no acumulación». En la pantalla VKU (7) se reproducen la imagen de televisión generada por el sensor (4) y la imagen de un marco rectangular superpuesta a él.
Disparador RS (14) en el la salida inversa está en el estado “1” » Gracias a esto, el controlador de duración de acumulación (12), realizado sobre la base de contadores de varias etapas, está bloqueado en la entrada de transferencia por un nivel lógico alto y, por lo tanto, no cuenta los SID del reloj.
Supongamos que el sujeto de la filmación es la figura de una persona en movimiento cuando aparece en la zona indicada por el fotograma electrónico.
En este caso, el operador, utilizando la televisión observada imagen, aplica un pulso de control a la entrada «Inicio» de la cámara de televisión (Fig. 2a) en el momento t0 que se muestra en la Fig. 3b. Luego el disparador RS (14) pasa al estado “0” a través de la salida inversa. Al mismo tiempo, el pulso de disparo reinicia el detector de picos (10) e inicia el monoestable (13).
El dispositivo de un solo disparo (13) genera una señal de pulso en la salida (Fig. 2b), cuya duración t0…t1 es el intervalo de permiso para la operación de registro preliminar e instalación en los contadores del controlador (12).
Fig. 2. Diagrama de tiempos que explica el funcionamiento de la cámara de televisión
Fig. 3. Imágenes de la pantalla de VKU que explican el control de disparo del televisor
Marco electrónico
Tenga en cuenta que el intervalo de tiempo t0 … t1 es bastante pequeño y puede despreciarse al evaluar los procesos en el tiempo.
A partir del momento t0, el detector de picos (10) comienza a medir y almacenar el valor actual de la señal de vídeo procedente de la salida del interruptor (9). Tenga en cuenta que gracias al interruptor (9), la señal de vídeo generada por el sensor (4) se mide y almacena, pero dentro de los límites limitados en el ráster por un marco electrónico.
El voltaje CC de la salida del detector de picos (10), proporcional al valor máximo de la señal de video medida, se convierte adicionalmente al ADC (11) de forma analógica a digital y se suministra a las entradas de configuración de los contadores modeladores (12). ).
En el momento t1 (Fig. 2b), debe finalizar el registro e instalación de este número en los contadores del modelador (12).
A partir del momento t1, los contadores de el modelador (12) cuenta el incremento de datos y en la salida del bloque (12) se establece en un nivel lógico bajo (Fig. 2d). Por tanto, el sensor (2) entra en un estado de acumulación de cargas informativas. La duración de la acumulación en el sensor (2) se establece de manera óptima según el criterio de la relación máxima señal-ruido de la señal de vídeo de la imagen que se está tomando, que se logra mediante una calibración preliminar de la cámara.
Una vez completada la acumulación de cargas en el sensor (2), los contadores del controlador (12) se reinician y el disparador RS (14) se establece en el estado de 1” en la salida inversa. Los contadores del moldeador (12) se ponen a cero, y en el momento t2 del final de la exposición, a la entrada de la tarea de acumulación del sensor (2), el nivel lógico “0” se reemplaza por el nivel lógico. nivel “1” (Fig. 2d).
A continuación, la liberación de carga del cuadro de información (más precisamente, un medio cuadro según el estándar de televisión) se transfiere desde el objetivo fotográfico (sección de acumulación) a la sección de almacenamiento del sensor (2), y su objetivo fotográfico entra en el estado de “no acumulación”.
Supongamos que en el momento posterior t3 (Fig. 2e) en la entrada de “establecimiento de la duración de lectura” del sensor (2), el nivel lógico “0” se reemplaza por el nivel lógico “1”.
Cuando el nivel alto en la «señal de ajuste de duración de lectura» coincide con el final del pulso de amortiguación del cuadro más cercano (ver momento t4 en la Fig. 2e), comienza la lectura del alivio de carga del cuadro de información, que continúa durante el intervalo t4. .. t5.
Como resultado, se forma una señal eléctrica de un solo cuadro a la salida del sensor de “vídeo” (2), y en consecuencia a la salida del televisor. cámara (Fig. 2g).
Tenga en cuenta que la duración de esta señal, teniendo en cuenta el pulso de amortiguación vertical, es Tk = 20 ms y corresponde al período de medios cuadros según el estándar de televisión.
Considere el procedimiento de calibración.
A la cámara de televisión se le presenta una imagen de una mesa de prueba, cuya iluminación en blanco (Emax) asegura la formación del alcance máximo de la señal de vídeo generada por el sensor (4), es decir. , su cumplimiento del criterio de máxima relación señal-ruido.
A continuación, se ajusta la magnitud del voltaje introducido a través de las entradas de configuración en los contadores del controlador (12) de modo que cuando se alcanza el número de conteo máximo y se produce el pulso de transferencia de salida del bit más significativo, la duración de la acumulación de el sensor (2) es medio fotograma según el estándar de televisión, es decir, Tk.
Entonces, si la iluminación del objeto fotografiado E1 es menor que Emax, entonces cuando el máximo Se alcanza el número de conteo, el pulso de transferencia de salida aparecerá más tarde, en el momento t2 (Fig. 2c), y la duración de la acumulación del sensor (2) será T1 > Tk.
Si la iluminación del objeto fotografiado disminuye aún más, es decir E2 < E1, luego proporcionalmente más tarde, en el momento t7 (Fig. 2h), aparecerá un impulso de transferencia y la duración de la acumulación T2 aumentará en consecuencia (Fig. 2i).
Debería Cabe señalar que la selección automática del tiempo máximo de acumulación del sensor Tmax (2) debe tener en cuenta las limitaciones físicas del fotodetector CCD en términos de corriente oscura. Para un fotodetector CCD no refrigerado, podemos asumir que Tmax = 10 s y tener en cuenta este factor al elegir la capacidad de los contadores anteriores (12).
Es obvio que la relación Tmax/Tk determina la magnitud de la ganancia máxima en sensibilidad energética para la solución propuesta de una cámara de televisión en comparación con [1]. Por otro lado, se mantiene el factor de aumento de la sensibilidad de contraste de la imagen, igual al factor del zoom óptico.
Cabe señalar que mejorar la calidad de la imagen del intruso registrado se logra sin el uso de costosos convertidores electrón-ópticos diseñados para aumentar el brillo de la imagen óptica en el objetivo del fotodetector. También se rechaza la acumulación de cuadros de video en la memoria de la computadora.
Nos gustaría agregar que, en comparación con la acumulación de computadora, la «acumulación de carga» utilizada en esta solución en una foto El objetivo proporciona significativamente menos ruido y distorsión de la señal de vídeo
.Para los sistemas de televisión de seguridad que incluyen un detector de movimiento, se puede proponer una táctica operativa diferente. A partir de la imagen televisiva de la escena observada, el marco electrónico se instala en la zona de control automático del objeto responsable. Luego, en caso de un cambio dentro del cuadro en la señal de video, el detector de movimiento genera una señal de alarma que, a su vez, genera un pulso en el bus «Inicio». Como resultado, se toma una fotografía televisiva de alta calidad del intruso.
Como conclusión
El autor expresa la esperanza de que exista una demanda real de una solución técnica para una cámara de seguridad. Si esto sucede, entonces se confirmará una vez más la verdad de las palabras pronunciadas por el premio Nobel D. Gabor: el futuro no se puede predecir, pero sí se puede inventar”.
Literatura
1. Smelkov V. M. Cámara de televisión para vigilancia encubierta y seguridad automatizada //Equipo especial, 2001, No. 3, p. 20 – 23.
2. Solicitud de Francia nº 2589301 de fecha 28.10.85 MKI N04N3/15, 5/238. Dispositivo electrónico de obturación.
Solicitante – empresa I2S (Francia).