ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ОХРАННОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОГО ОСВЕЩЕНИЯ..
СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, кандидат технических наук, доцент
ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ОХРАННОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
Источник: журнал «Специальная Техника» №1 2006 год.
В работах [1 – 3] были предложены методы минимизации искажений телекамеры на ПЗС-матрице при эксплуатации в условиях световой перегрузки, в работе [4] приведена оценка времени ее восстановления после окончания подобного воздействия.
Однако ситуация большой и равномерной освещенности в поле зрения камеры является частным случаем сложного освещения наблюдаемых сюжетов и объектов. Примерами условий сложного освещения могут служить:
- наблюдение через окно или на фоне открытых дверей, когда нужно одновременно различать объекты на улице и в комнате;
- наблюдение против рассеянного солнечного света;
- наблюдение на фоне бликов, фонарей освещения и пр.
В зарубежной литературе условия сложного освещения называют Back light, что предопределяет наличие со стороны объекта “заднего света” или работу “против света”. В таком случае при действующей в телекамере автоматической регулировке чувствительности (АРЧ) по любому из трех параметров, а именно: относительному отверстию объектива, времени накопления, коэффициенту усиления видеотракта – имеет место ограничение динамического диапазона градаций яркости для темных и/или низкоосвещенных деталей передаваемого камерой изображения, так как видеосигнал от них может либо существенно уменьшиться, либо быть вовсе утерянным.
Необходимо отметить, что идея борьбы с искажениями видеосигнала в условиях этой априорной неопределенности сюжета известна [5] и состоит в следующем. Динамический диапазон телекамеры разбивается на несколько параллельных каналов. В каждом из них используется преобразователь “свет – сигнал”, имеющий устройство смещения светового диапазона. При этом минимальный уровень светового диапазона каждого канала должен соответствовать уровню ограничения светового диапазона предыдущего канала так, что сумма диапазонов всех каналов преобразования равна диапазону яркости и/или освещенности.
Аббревиатура BLC означает режим компенсации искажений видеосигнала, сопутствующих данным условиям наблюдения. Организация автоматического BLC по цифровому методу была предложена фирмой Matsushita (торговая марка – Panasonic) [6] и носит название технологии super dynamic. Рекламное название точно передает задачу предложенного технического решения, которое направлено на расширение динамического диапазона градаций яркости, передаваемого камерой телевизионного изображения. Эта технология реализует в темпе телевизионного стандарта два последовательно-параллельных канала фотоэлектрического преобразования с “длинным” (1/50 с) и “коротким” (1/2000 с) временем экспонирования на единственной матрице ПЗС.
Базовым результатом этой технологии является изготовление новой матрицы ПЗС с организацией “строчно-кадрового переноса” (СКП), а дополнительно к ней – специализированного процессора цифровой обработки видеосигнала. Однако несомненными издержками данного технического решения являются: необходимость двукратного повышения частоты построчного и поэлементного переноса в матрице ПЗС и формирование мультиплексированного видеосигнала на ее выходе.
В качестве альтернативы был предложен аналоговый метод автоматического BLC [7, 8]. Двойное в течение кадра экспонирование фотоприемника здесь обеспечивается благодаря использованию трехсекционной матрицы ПЗС с организацией “кадровый перенос” (КП) или с организацией СКП + КП. Преимуществами этого решения следует считать отсутствие операций мультиплексирования и демультиплексирования видеосигнала фотоприемника, а также отказ по этой причине от цифрового процессора. К сожалению, сегодняшнее состояние российской экономики не позволяет надеяться на быстрое внедрение данного метода.
Если условия эксплуатации телекамеры на объекте позволяют осуществить предварительно ее ориентацию так, чтобы сильно освещенные и/или яркие объекты воспринимались в центральной части ее угла зрения, то режим BLC может быть реализован на базе двух синхронно и синфазно работающих камерных модулей путем формирования сигнала комбинированного изображения. Это изображение является результатом синтеза изображений, вырабатываемых каждым из модулей. В расположенном по центру “окне” комбинированного изображения передается центральный фрагмент от одного модуля, а вокруг “окна”, т.е. вне его, от другого модуля. При одинаковом масштабе составляющих изображений масштаб комбинированного изображения сохраняется неизменным по всей площади растра. Пример телевизионного наблюдения посредством комбинированного изображения приведен на рис. 1.
Рис. 1. Пример изображения, формируемого телекамерой
Необходимые модули представлены в настоящее время на рынке российскими производителями. Являясь по сути, бескорпусными камерами, они разработаны на базе ранее освоенных ПЗС-матриц с организацией СКП и имеют АРЧ с фотометрированием по выбранной области мишени фотоприемника.
Ниже изложено техническое решение поставленной задачи. Структурная схема телекамеры изображена на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема телекамеры
Телекамера содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1 и светоделитель 2, первый датчик телевизионного сигнала 3, второй датчик телевизионного сигнала 4 и коммутатор-смеситель 5. Светоделитель 2 при взаимно перпендикулярном расположении фотомишеней датчиков 3 и 4 содержит полупрозрачное зеркало 2-1, (рис. 3а) вход которого является входом светоделителя, а первый и второй выходы полупрозрачного зеркала – соответственно первым и вторым выходами светоделителя. Светоделитель 2 при взаимно параллельном расположении фотомишеней датчиков 3 и 4 содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало 2-1 и отражающее зеркало 2-2 (рис. 3б), причем вход полупрозрачного зеркала является входом светоделителя, а выход отражающего зеркала и второй выход полупрозрачного зеркала – соответственно первым и вторым выходами светоделителя. Входное оптическое изображение по оптическому пути: объектив 1, вход светоделителя 2, первый выход светоделителя 2 проецируется на фотомишень первого датчика 3. Одновременно это изображение по другому оптическому пути: объектив 1, вход светоделителя 2, второй выход светоделителя 2 проецируется на фотомишень второго датчика 4.
а – полупрозрачное зеркало 2-1;
б – полупрозрачное зеркало 2-1
Рис. 3. Устройство светоделителя
Фотоэлектрическое преобразование оптического изображения каждого из датчиков в соответствующие видеосигналы проводится с использованием АРЧ. Основным регулируемым параметром АРЧ является время накопления фотоприемника на ПЗС, а дополнительным параметром – коэффициент усиления видеоусилителя. Отметим, что оба датчика работают в режиме синхронизации по частоте и фазе кадровой и строчной разверток от сигнала синхронизации приемника (ССП) датчика 3. Для АРЧ каждого из датчиков предусмотрена предустановка разных и взаимоисключающих областей фотометрирования. Для датчика 3 областью фотометрирования является центральная область его фотомишени (рис. 4а), а для датчика 4 – вся область его фотомишени минус центральная (рис. 4б).
Рис. 4. Области фотометрирования датчиков телекамеры
Отметим, что размеры и местоположение области фотометрирования датчика 3 определяют размещение в кадре сигнала “окошко”, а следовательно, площадь “окна” и его положение в комбинированном изображении.
Для наблюдаемого в нашем примере сюжета (рис. 1) в пределах выбранных областей фотометрирования телекамера автоматически установит различные, но оптимальные показатели времени накопления каждого из фотоприемников и коэффициента усиления для их видеосигналов. Здесь эти параметры удовлетворяют соотношениям:
Tн1 < Tн2; Kу1 < Kу2, где Tн1, Kу1 и Tн2, Kу2 – длительность накопления и коэффициент усиления видеоусилителя соответственно для датчиков 3 и 4.
В результате без искажений в нужных фрагментах будут подготовлены телевизионные сигналы от обоих датчиков. Формирование видеосигнала комбинированного изображения обеспечивается в блоке 5, где по управляющему сигналу “окошко” последовательно коммутируются сигналы от обоих датчиков. Имея в виду, что отношение сигнал/шум изменяется пропорционально времени накопления фотоприемника и коэффициенту усиления видеоусилителя, предлагаемое решение гарантирует повышение отношения сигнал/шум для темных и/или низкоосвещенных объектов.
Литература
1. Куликов А.Н. Телевизионное наблюдение при ярком солнечном свете/Специальная техника, 2001, № 1, с. 11 – 20.
2. Смелков В.М. Метод минимизации искажений телевизионной камеры при работе в условиях световой перегрузки/Специальная техника, № 5, 2001, с. 20 – 22.
3. Патент №2231233 РФ. МКИ7 HO4N 5/335, 3/14, 5/202. Устройство формирования сигнала изображения/Смелков В.М. /Б.И. – 2004, № 17.
4. Смелков В.М. Оценка времени восстановления телевизионной камеры на ПЗС-матрице после воздействия световой перегрузки/Специальная техника”, № 1, 2004, с. 38 – 40.
5. Патент №2199827 РФ. МКИ7 H04N 5/202. Способ расширения динамического диапазона передаваемых градаций яркости и/или освещенности в телевизионной системе
6. Виленчик Л.С., Гончаренко Б.Г., Курков И.Н, Разин А.И., Розвал Я.Б./Б.И. – 2003, № 6.
7. Супердинамический Panasonic/“Системы безопасности”, № 19, 1998, с. 24 – 25.
8. Смелков В.М. Аналоговый метод автоматического режима работы охранной телевизионной камеры для наблюдения в условиях сложного освещения.Системы и средства связи, телевидения и радиовещания, 2002, № 1, 2, с. 35 – 39.
9. Патент №2235443 РФ. МКИ7 H04N5/335, 3/14, 5/202. Телевизионная камера на матрице приборов с зарядовой связью/Смелков В.М./Б.И. – 2004, № 24.