Охранная телевизионная камера: новое решение по методу оптико-электронного масштабирования.
СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович,
кандидат технических наук
В работе [ 1] было опубликовано техническое решение телевизионной камеры с использованием метода оптико-электронного масштабирования изображения.
Его отличительными особенностями являются: аналоговый принцип, отсутствие потерь разрешающей способности увеличенного изображения по сравнению с цифровым методом масштабирования и отказ от использования вариообъектива.
В настоящей работе решается задача повышения качества изображения регистрируемого нарушителя в условиях пониженной освещённости охраняемой зоны путём оперативной съёмки объекта по усовершенствованному методу оптико-электронного масштабирования.
Семнадцать лет назад, в октябре 1985 г. французская фирма I2S заявила новое техническое решение [ 2] , которое в последующем было реализовано в полностью твердотельных камерах серии MONOSHOT.
В переводе с английского термин “MONOSHOT” означает “однократный”, что довольно точно отражает сущность предложенного метода.
Применительно к телекамерам на матричных ПЗС этот метод определяет следующие характерные особенности нового режима работы:
- экспозиция фотоэлектрического процесса на мишени ПЗС или отсчёт времени накопления фотоприёмника начинается в произвольный момент времени, определяемый внешним запуском, т. е. действует асинхронно с синхрогенератором камеры;
- длительность экспозиции или длительность времени накопления изменяется в широких пределах, определяемых физическими ограничениями фотоприёмника;
- видеосигнал на выходе формируется синхронно с синхрогенератором камеры в течение одного полукадра по телевизионному стандарту;
- после окончания времени накопления мишень ПЗС принудительно освобождается от зарядовых носителей, т. е. находится в состоянии ненакопления”.
В режиме “MONOSHOT” телекамера становится по сути устройством для телевизионного фотографирования объектов контроля, т.к. обеспечивает их регистрацию путём однократного формирования видеосигнала при помощи датчика изображения на ПЗС.
Возможность повышения чувствительности телевизионной камеры в режиме MONOSHOT” за счёт оптимального выбора времени накопления матрицы ПЗС может быть успешно реализована при использовании предлагаемого усовершенствованного метода оптико-электронного масштабирования применительно к охранной телевизионной камере.
Этому можно дать следующее обоснование.
При низкой освещённости адекватно выбранная экспозиция фотоприёмника длительностью более одного кадра будет неизбежно приводить к увеличению инерционности работы телевизионной камеры, однако такой эффект следует признать допустимым, т.к. чёткие контуры движущихся объектов принципиально не могут быть получены из-за сказывающегося в этих условиях фотонного шума.
По новому методу длительность времени накопления ПЗС в режиме телевизионного фотографирования устанавливается автоматически по видеосигналу, поэтому методу дано название MONOSHOT–ZOOM-AUTO”.
Структурная схема телевизионной камеры по новому методу представлена на рис. 1.
Камера содержит первый объектив (1), датчик однократного видеосигнала (2), светоделитель (3), датчик телевизионного сигнала (4), формирователь сигнала рамки (5), блок коммутации (6), блок наведения (8), коммутатор (9), пиковый детектор (10), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (11), формирователь длительности накопления (12), одновибратор (13) и RS-триггер (14).
Рис. 1. Структурная схема телевизионной камеры
Отметим, что в качестве датчика (2) используется камерный модуль в режиме MONOSHOT”, а в качестве датчика (4) – камерный модуль в телевизионном режиме (режиме “TV”).
Под цифрой 7 на схеме условно показан видеоконтрольный блок (ВКУ).
Входной сигнал “считывание” и выходной сигнал “видео” для датчика (2) являются сигналами сопряжения с компьютером.
Кратность оптического масштабирования Км светоделителя (3) определяется отношением размеров кадра объектива (1) к соответствующим размерам фотомишени датчика (2).
С другой стороны, как и в [ 1] , размеры электронной рамки и размеры растра Х и Y связаны зависимостью:
а = Х / Км,
в = Y / Км,
где а и Х – размер соответственно рамки и растра по горизонтали,
в и Y – размер соответственно рамки и растра по вертикали.
Рассмотрим работу телевизионной камеры
Оптическое изображение наблюдаемой сцены по оптическому пути: первый объектив (1), полупрозрачное зеркало (3-1), коллективная линза (3-2), отражающее зеркало (3-3), второй объектив (3-4) проецируется на мишень датчика (4).
Одновременно увеличенный в соответствии с кратностью масштабирования светоделителя (3) фрагмент этого изображения по другому оптическому пути: первый объектив (1), полупрозрачное зеркало (3-1) проецируется на фотомишень датчика (2).
Изображение на фотомишени датчика (4) преобразуется далее в видеосигнал по телевизионном стандарту, а выходные кадровые (КСИ) и строчные (ССИ) синхроимпульсы в качестве ведущих осуществляют ведомый режим синхронизации формирователя сигнала рамки (5), датчика (2) и ВКУ (7).
Формирователь (5) вырабатывает на выходе сигнал электронной рамки, геометрические размеры и положение в растре которой определяют выбор упомянутого выше фрагмента предъявляемого входного изображения.
При этом с выхода блока (6) на вход “видео” ВКУ (7) приходит сигнал микширования, составляющими которого являются видеосигнал от датчика (4) и сигнал рамки от формирователя (5).
На экране ВКУ (7) воспроизводится нормальное изображение наблюдаемой сцены и изображение прямоугольной (электронной) рамки, отображающей выбранный фрагмент.
Отметим, что приводы (8-1) и (8-2) осуществляют наведение датчика (2) соответственно по горизонтали и вертикали, а датчики положения (8-3) и (8-4) управляют перемещением по этим координатам прямоугольной рамки в растре.
Для дистанционного наведения на выбранный объект съёмки приводы (8-1) и (8-2) должны быть подключены к шине “Внешнее управление”.
Особенностью предлагаемого решения является линейная зависимость видеосигнала с выхода “видео” датчика (4) от освещённости, т. е. g-характеристика равна 1, а также отсутствие по этому выходу воздействия автоматической регулировки усиления (АРУ).
До момента прихода на вход Пуск” импульсного сигнала на входе “задания длительности накопления” датчика (2) присутствует высокий логический уровень, поэтому датчик (2) находится в состоянии ненакопления”. На экране ВКУ (7) воспроизводится телевизионное изображение, формируемое датчиком (4), и наложенное на него изображение прямоугольной рамки.
RS-триггер (14) по инверсному выходу находится в состоянии “1”. Благодаря этому формирователь длительности накопления (12), выполненный на базе многокаскадных счётчиков, заблокирован по входу переноса высоким логическим уровнем и поэтому не считает тактовые ССИ.
Предположим, что объектом съёмки является фигура движущегося человека, когда он появляется в зоне, обозначенной электронной рамкой.
В этом случае оператор по наблюдаемому телевизионному изображению подаёт на вход “Пуск” телекамеры управляющий импульс (рис. 2а) в момент t0, показанный на рис. 3б. Тогда RS-триггер (14) переходит в состояние “0” по инверсному выходу. Одновременно импульс запуска осуществляет сброс пикового детектора (10) и запуск одновибратора (13).
Одновибратор (13) формирует на выходе импульсный сигнал (рис. 2б), длительность которого t0…t1 является интервалом разрешения операции предварительной записи-установки в счётчики формирователя (12).
Рис. 2. Временная диаграмма, поясняющая работу телекамеры
Рис. 3. Изображения с экрана ВКУ, поясняющие телевизионный контроль съёмки
Электронная рамка
Отметим, что временной промежуток t0 … t1 является довольно малым и при временной оценке процессов им можно пренебречь.
Начиная с момента t0, пиковый детектор (10) приступает к измерению и запоминанию текущего значения видеосигнала с выхода коммутатора (9). Отметим, что благодаря коммутатору (9) выполняется измерение и запоминание видеосигнала, формируемого датчиком (4), но в пределах, ограниченных в растре электронной рамкой.
Постоянное напряжение с выхода пикового детектора (10), пропорциональное максимальному значению измеренного видеосигнала, преобразуется далее в АЦП (11) из аналоговой формы в цифровую и подаётся на установочные входы счётчиков формирователя (12).
К моменту t1 (рис. 2б) запись-установка этого числа в счётчики формирователя (12) должна закончиться.
Начиная с момента t1, счётчики формирователя (12) подсчитывают приращение данных, а на выходе блока (12) устанавливается низкий логический уровень (рис. 2г). Поэтому датчик (2) переходит в состояние накопления информативных зарядов. Длительность накопления в датчике (2) устанавливается оптимальной по критерию максимума отношения сигнал/шум видеосигнала выполняемого снимка, что достигается предварительной калибровкой телекамеры.
После окончания накопления зарядов в датчике (2) производится сброс счётчиков формирователя (12) и установка RS-триггера (14) по инверсному выходу в состояние 1”. В счётчиках формирователя (12) устанавливается нулевое число, а в момент t2 окончания экспозиции, на входе задания накопления датчика (2) уровень логического “0 заменяется на уровень логической “1” (рис. 2г).
Далее зарядовый рельеф информационного кадра (точнее полукадра по телевизионному стандарту) переносится из фотомишени (секции накопления) в секцию хранения датчика (2), а его фотомишень переходит в состояние “ненакопления”.
Предположим, что в последующий момент t3 (рис. 2д) на входе “задания длительности считывания” датчика (2) уровень логического “0” заменяется на уровень логической “1”.
Когда высокий уровень в сигнале задания длительности считывания” совпадает с окончанием ближайшего кадрового гасящего импульса (см. момент t4 на рис. 2е), начинается считывание зарядового рельефа информационного кадра, которое продолжается в течение интервала t4 … t5.
В результате на выходе “видео” датчика (2), а следовательно, и на выходе телекамеры, формируется электрический сигнал одиночного кадра (рис. 2ж).
Отметим, что длительность этого сигнала, с учётом кадрового гасящего импульса, составляет Тк = 20 мс и соответствует периоду полукадров по телевизионному стандарту.
Рассмотрим процедуру калибровки.
Телекамере предъявляется изображение тест-таблицы, освещённость которой в белом (Емакс) обеспечивает формирование максимального размаха видеосигнала, формируемого датчиком (4), т. е. соответствие его критерию максимума отношения сигнал/шум.
Далее величина напряжения, вводимого через установочные входы в счётчики формирователя (12), регулируется так, чтобы при достижении максимального числа счёта и возникновении выходного импульса переноса со старшего разряда, длительность накопления датчика (2) составляла один полукадр по телевизионному стандарту, т. е. Тк.
Тогда, если освещённость объекта съёмки Е1 будет меньше, чем Емакс, то при достижении максимального числа счёта выходной импульс переноса появится позже, в момент t2 (рис. 2в), а длительность накопления датчика (2) составит Т1 > Тк.
Если освещённость объекта съёмки снизится ещё, т.е. Е2 < Е1, то пропорционально позднее, в момент t7 (рис. 2з) появится импульс переноса, а длительность накопления Т2 соответственно увеличится (рис. 2и).
Необходимо отметить, что автоматический выбор максимального времени накопления Тмакс датчика (2) должен учитывать физические ограничения фотоприёмника на ПЗС по темновому току. Для неохлаждаемого фотоприёмника на ПЗС можно принять, что Тмакс = 10 с и учесть этот фактор при выборе ёмкости счётчиков формирователя (12).
Очевидно, что отношение Тмакс / Тк определяет величину максимального выигрыша в энергетической чувствительности для предлагаемого решения телевизионной камеры по сравнению с [ 1] . С другой стороны, сохраняется фактор повышения контрастной чувствительности изображения снимка, равный кратности оптического масштабирования.
Необходимо отметить, что повышение качества изображения регистрируемого нарушителя достигается без использования дорогих электронно-оптических преобразователей, предназначенных для увеличения яркости оптического изображения на мишени фотоприёмника. Имеет место и отказ от накопления видеокадров в памяти компьютера.
Добавим, что по сравнению с компьютерным накоплением” применяемое в настоящем решении “зарядовое накопление” на фотомишени обеспечивает существенно меньшую зашумлённость и искажение видеосигнала.
Для охранных телевизионных систем, в состав которых входит обнаружитель движения, может быть предложена другая тактика работы. По телевизионному изображению наблюдаемой сцены электронная рамка устанавливается в зону автоматического контроля ответственного объекта. Тогда в случае внутрирамочного” изменения видеосигнала обнаружитель движения выдаёт сигнал тревоги, который, в свою очередь, формирует импульс на шине “Пуск”. В результате выполняется качественный телевизионный снимок объекта-нарушителя.
В качестве вывода
Автор выражает надежду, что настоящее техническое решение охранной телекамеры окажется востребованным. Если так и случится, то ещё раз подтвердится справедливость слов, сказанных нобелевским лауреатом Д. Габором: Будущее нельзя предвидеть, но можно изобрести”.
Литература
1. Смелков В. М. Телевизионная камера для скрытого наблюдения и автоматизированной охраны//Специальная техника, 2001, № 3, с. 20 – 23.
2. Заявка Франции № 2589301 от 28.10.85 МКИ Н04N3/15, 5/238. Устройство электронной обтюрации.
Заявитель – фирма I2S (Франция).