Создание цифрового телевизионного комплекса на 6-м оптическом телескопе БТА САО РАН : НПК ВИДЕОСКАН

Создание цифрового телевизионного комплекса на 6-м оптическом телескопе БТА САО РАН

СОЗДАНИЕ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО КОМПЛЕКСА

НА 6-М ОПТИЧЕСКОМ ТЕЛЕСКОПЕ БТА САО РАН

Комаров В.В., Витковский В.В., Власюк В.В.,
Фоменко А.Ф., Шергин В.С.

Аннотация
Введение
Структурная схема цифровой телевизионной сети БТА
Основные требования к приемным устройствам видеосети БТА
Конфигурация телевизионных камер БТА
Видеосервер БТА
Программное обеспечение и интерфейс наблюдателя
Удаленный доступ к цифровому телевизионному комплексу
Заключение

Аннотация

Создан цифровой телевизионный комплекс 6-ти метрового оптического телескопа БТА (Большой Телескоп Азимутальный) САО (Специальной Астрофизической Обсерватории) РАН (Российской Академии наук). Комплекс построен на базе видеосервера, включающего фрейм-грабер VS56/VS60, который имеет входы для 4-х независимых телевизионных аналоговых сигналов с программно-управляемым выбором одного из них для последующей оцифровки видеоизображения. Данный комплекс позволяет получать цифровую видеоинформацию от всех 3-х фокусов БТА и, тем самым, обеспечить все наблюдательные программы, использующие телеподсмотры БТА, цифровым видеоконтролем за наблюдаемым объектом и позволяет производить накопление и обработку изображений, а также втогидирование объекта. Программы управления видеосервером, а также обработкой телевизионной информации, включая и гидирование объекта по его видеоизображению, написаны в ОС Linux и позволяют подключаться к видеосерверу с любого компьютера в локальной сети САО и выполнять независимую обработку наблюдаемых изображений.

Введение

Применение в астрономии новейших достижений в области оптико-электронных систем и вычислительной техники позволяет по-новому взглянуть на методику использования телевизионных средств в астрономических наблюдениях. С появлением высокочувствительных телевизионных приемников изображений, оказалось возможным перевести контроль за наведением на объект, отождествлением и гидированием в режим телевизионного мониторинга. Как результат такого подхода, на крупных телескопах появились удаленные от светоприемной аппаратуры рабочие места (на БТА - аппаратная), где стали концентрироваться все средства контроля и управления наблюдениями.

Объединение всех телевизионных средств БТА в единый комплекс с оцифровкой видеосигналов позволяет решать новые задачи:

одновременный контроль за работой нескольких телеустройств на одном компьютере;
цифровая обработка изображений от телекамер БТА;
сложение кадров;
запись изображений в архив;
автогидирование объекта;
вывод текущих изображений в компьютерную сеть САО и Интернет.

Структурная схема цифровой телевизионной сети БТА

Развитие обработки изображений от телевизионных камер на оптических телескопах идет по двум основным направлениям:

передача аналоговых сигналов в специализированный сервер для их оцифровки и обработки;
оцифровка изображений контроллерами телекамер с передачей цифровых сигналов для дальнейшей обработки и архивизации.

В качестве первого подхода к созданию цифровой видеосети БТА, нами был принят простой и доступный вариант с оцифровкой аналоговых телевизионных сигналов контроллерами фирмы "Videoscan" и использованием стандартного компьютера в качестве центрального видеосервера.

Наблюдательная аппаратура на БТА устанавливается в 3-х фокусах: в первичном фокусе (ПФ) и вторичных фокусах (Н1 и Н2). От аппаратной БТА, с учетом линий связи, эти фокусы удалены, в среднем, на расстояние 150 - 200м. Эти характеристики телескопа определили структуру и технические параметры видеосети.

Видеосеть БТА представляет собой телевизионный комплекс, в котором сигналы от всех телекамер поступают в видеосервер для дальнейшей оцифровки, компьютерного контроля и обработки изображений наблюдаемых объектов.

В состав цифрового телевизионного комплекса входят:

телекамеры поля и щелей спектрографов в фокусах Н1 и Н2;
телекамеры поля и щелей спектрографов в ПФ;
телекамеры для получения прямых снимков в ПФ;
внешние телекамеры обзора неба над БТА;
видеокамера контроля телескопа в подкупольном пространстве БТА;
контроллеры VS56/VS60;
видеосервер на базе персонального компьютера;
устройства управления телевизионными камерами;
интерфейс наблюдений;
программное обеспечение.

Основные требования к приемным устройствам видеосети БТА

При отождествлении и гидировании астрономических объектов поток света на входном зрачке телескопа изменяется на 6-8 порядков, в зависимости от яркости наблюдаемых источников и фона неба. Поэтому, телевизионные камеры, применяемые для обеспечения наблюдательных астрономических программ, должны обладать высокой чувствительностью в стандартном черезстрочном режиме разложения телесигнала (625строк, 25кадров/сек). Для современных телекамер среднепиксельного формата это соответствует световому диапазону от Nmin до Nmax, где:

Nmin ~ 1-2 фотон/канал/сек - нижняя граница светового потока - это средний фон (свечение) ночного неба, эквивалентный блеску звезды около 20 звездной величины в желтой области спектра.
Nmax ~ 1.0Е+6 фотон/канал/сек - средняя верхняя граница светового потока для точечных и протяженных объектов в фильтре V, эквивалентно 0 звездной величине.

Следует подчеркнуть, что максимальный поток фотонов на канал обратно пропорционален квадрату среднего диаметра изображения звезды, формируемого турбулентной атмосферой. Для визуализации слабых астрономических объектов, освещенность которых в фильтре V на входе телевизионных камер составляет E ~ 1.0E-6 лк, что соответствует регистрации N ~ 2 фотон/канал/сек, т.е. совпадает с Nmin. Таким образом, телевизионные камеры при световых потоках с Emin ~ 1.0E-6 лк входят в режим регистрации одноэлектронных событий, наблюдаемых на экране видео-контрольных устройств (ВКУ) как единичные сцинцилляции.

Конфигурация телевизионных камер БТА

В описываемом телевизионном комплексе применяются три типа телекамер, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям. Для построения телеподсмотров БТА были выбраны общеизвестные подходы построения высокочувствительных телекамер по принципам I-SIT и ICCD.

Видеосервер БТА

При создании единой видеосети БТА были рассмотрены варианты ее конфигурации на базе раличных новейших технических устройств, предлагавшихся производителями на тот момент:

фрейм-граберы в стандарте CompactPCI - позволяют осуществлять оцифровку до 4-х телевизионных сигналов непосредственно в фокусах БТА и передавать изображение в реальном времени по сетям до 132 Мб/с;
оптические кодеры в стандарте АТМ - оцифровка до 6-ти телесигналов и передача "живого" видео (до 25 кадр/сек PAL) в среде АТМ до 155 Мб/с;
готовые видеосерверы в стандарте Ethernet - оцифровка до 5-ти ТВсигналов и передача до 6 кадр/с по линиям Ethernet 10 Мб/с;
видеоконтроллеры, встраиваемые в компьютер - оцифровка до 4-х видеосигналов и передача изображений до 3 кадр/с (ISA) и 12 кадр/с (PCI) по сети Ethernet.

В начале работ по созданию видеосети был выбран простой и недорогой способ оцифровки видеосигнала с помощью 4-х канального контроллера VS56(ISA), а затем и более быстродействующий фрейм-грабер VS60(PCI) фирмы "Videoscan" в видеосервере БТА на базе компьютера Pentium 200MMX.

Видеосервер располагается в аппаратной БТА, куда сходятся все магистральные линии из 3-х фокусов. Следует отметить, что помимо обеспечения основных фокусов БТА телевизионной аппаратурой, в процессе наблюдений выявилась потребность во вспомогательных телеканалах:

телегид БТА;
телекамеры внешнего наблюдения ночного неба;
телекамеры внутреннего наблюдения за работой телескопа;
видеокамеры наблюдения и видеосвязи в аппаратных.

В настоящее время видеосервер позволяет обрабатывать изображения от следующих телеподсмотров:

ТВ камеры в первичном фокусе CПФ (ISIT,ICCD (рис.6), CCD (рис.11))
ТВ подсмотр поля в фокусе Н1 (ICCD) (рис.8)
ТВ подсмотр поля в фокусе Н2 (ISIT)
ТВ подсмотр щели в фокусе Н1 (ISIT) (рис.12)
ТВ подсмотр щели в фокусе Н2 (ISIT) (рис.13)
ТВ камера телегида (ICCD) (рис.7)
100град.обзор околозенитной области неба над БТА (CCD) (рис.3)
(30-70)град.панорамный обзор неба над БТА (ISIT). (рис.9)
ТВ камера контроля положения телескопа и освещенности в подкупольном пространстве БТА. (рис.10)

Программное обеспечение и интерфейс наблюдателя

Создание единой цифровой видеосети требует адекватного программного обеспечения:

управления режимами работы телевизионных камер;
внедрения в изображение необходимых маркерных сигналов;
отождествления объекта;
накопления изображения и покадрового усреднения;
автогидирования объекта;
возможность стандартной обработки изображения;
записи изображений в архив;
необходим также дружественный интерфейс наблюдателя.

В современных телевизионных кодерах многие эти функции заложены аппаратно и программно (прошивки недоступны пользователю). При использовании VS56/VS60 мы имеем возможность изменять работу контроллера в соответствии со своими требованиями, поэтому для работы видеосервера БТА были написаны программы управления комплексом и обработкой телевизионной информации. Программы реализованы в ОС Linux и позволяют подключаться к видеосерверу с любого компьютера локальной сети САО и независимо обрабатывают наблюдаемые изображения. Создан интерфейс, позволяющий управлять всем комплексом, открывая одновременно до 4-х окон. В каждом выводится независимое изображение одной из телекамер БТА.

Изображение наблюдаемого объекта может оцифровываться как для одиночного кадра, так и суммы любого количества кадров. Для ускорения процесса считывания видеосервер может обрабатывать не полный кадр, а только его часть (фрейм).

Кроме того, видеосервер позволяет производить автогидирование объекта по цифровому видеоизображению. Создан специальный интерфейс автогидирования, с помощью которого измеренные координаты рассогласования захвата объекта на цифровом изображении телеподсмотра передаются для корректировки в автоматизированную систему управления телескопом БТА.

Удаленный доступ к цифровому телевизионному комплексу

Получение доступа к видеосерверу БТА с любого рабочего места в компьютерной сети САО, уже дает нам возможность удаленной работы с телевизионными каналами 6-ти метрового оптического телескопа. Написанные программы в ОС Linux позволяют удаленному от телескопа пользователю работать точно с такими же возможностями, что и непосредственно на БТА. Аналогично можно вести наблюдение за работой 4-х подключаемых к видеосерверу работающих телеканалов, производить накопление сигнала выбранного телеподсмотра и производить его уже независимую обработку на своем компьютере. Записывать одиночные кадры или результат покадрового накопления с сохранением изображений в стандартных форматах (FITS,GIF,JPEG).

Установленная телевизионная камера контроля положения телескопа передает видеосигнал не только операторам БТА, но также и на веб-камеру на сайте САО (левая), что позволяет наблюдателю иметь визуальную информацию о положении телескопа в данный момент времени, а также об освещении в подкупольном пространстве. Панорамная камера внешнего обзора в настоящее время передает картинку также в реальном времени на ту же домашнюю страницу (правая картинка). Страница обновляется каждые 30 секунд.

Заключение

Создание цифрового телевизионного комплекса на 6-ти метровом оптическом телескопе - очередной этап в развитии телевизионных систем БТА. Авторы хотели показать, что создание подобных комплексов можно начинать и с недорогих вариантов. Все перечисленные выше возможности удалось реализовать с помощью компьютера сбора и обработки всей телевизионной информации класса Pentium 200MMX. Конечно же, необходимы также очень хорошие линии связи как для передачи аналоговых видеосигналов к месту оцифровки телеизображений с полосой видео до 10МГц, так и линии передачи цифровых видеоизображений от 10Мб/сек.

Передача "живого" видеосигнала - 25 кадр/сек потребует телекоммуникаций не менее 100 Мб/сек. БТА, в настоящее время, уже обеспечено такими линиями передачи даже с нижней научной площадкой. Это позволяет вести дальнейшие поиски по совершенствованию астрономических наблюдений, использующих телевизионные подсмотры БТА.