РАЗРАБОТКА МНОГОСПЕКТРАЛЬНОГО ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ И ФОНОВ

The results of the study of methods for extracting fragment of images against a complex background using the division of a monochrome image into RGB channels and assessing the contrast of objects in the channels are presented. The results of an experimental study are presented, showing the possibility of increasing the contrast by 1.5 - 3 times.

Key words: image processing, contrast enhancement, object detection in the image.

Pogorelsky Semyen Lvovich, candidate of technical sciences, deputy director, khkedr a tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»,

Makaretskiy Eugene Alexandrovich, doctor of technical sciences, professor, makaretskya mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ponyatskiy Valeriy Mariafovich, head of department, pwmruayandex. ru, Russia, Tula, JSC «KBP»,

Egorov Dmitriy Borisovich, engineer, gosha fightenamail. ru, Russia, Tula, JSC

«KBP» УДК 681.783

РАЗРАБОТКА МНОГОСПЕКТРАЛЬНОГО ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ И ФОНОВ

С.Л. Погорельский, Е.А. Макарецкий, А.В. Овчинников, А.С. Гублин, В.М. Понятский, А.А. Шилин

Представлен вариант реализации многоспектрального программно-технического комплекса на основе цифровой видеокамеры и набора интерференционных фильтров, обеспечивающий формирование последовательного потока спектральных изображений и их последующую обработку.

Ключевые слова: спектральная селекция, гиперспектральная съёмка, телевизионные системы, мальтийский механизм.

Введение. Многоспектральные и гиперспектральные методы и устройства позволяют с высокой точностью определять характеристики поглощения и отражения объектами электромагнитных волн в заданном диапазоне. При этом представленные на рынке аппаратные и программные решения, достаточно дороги и изготовлены не на территории РФ, что накладывает ограничение на их использование в ряде приложений. Поэтому перед авторами стояла задача разработки многоспектрального программно-технического комплекса (ПТК) для исследования фонов и объектов различной природы.

В зависимости от предполагаемой задачи многоспектральные оптические системы могут иметь различную конструкцию. В работе [1] выделено четыре типа их построения:

- системы с автономными (независимыми) каналами, каждый из которых оснащён собственным матричным приёмником;

- системы с единым объективом и сменными спектральными фильтрами, либо сменными приёмниками излучения;

- системы, использующие двух- или многодиапазонные приёмники излучения;

- системы с единым входным компонентом и спектроделителями.

Использование нескольких независимых каналов или спектроделителей позволяет получать многоспектральное изображение «в реальном времени», и широко применяется в системах, расположенных на борту летательных аппаратов и наземного транспорта.

Однако при большом числе анализируемых спектральных диапазонов конструкция систем с автономными каналами значительно усложняется.

Рассматриваемый в данной статье программно-технический комплекс призван решать задачу спектрального анализа изображения неподвижных объектов на сложном фоне. Анализ возможных конструкций показал, что в этом случае наиболее простой и экономически целесообразный подход - создание системы с единым приёмником, единым объективом, несколькими сменными фильтрами и механизмом их выведения на оптическую ось объектива.

1. Аппаратная реализация комплекса. 1.1. Основные составные части комплекса и требования к ним. На начальном этапе работы были определены минимальные требования к составляющим частям комплекса и подобраны необходимые компоненты для его реализации с учётом условий его эксплуатации, методики проведения съёмок и обработки результатов. Основные составные части комплекса и их краткие технические характеристики приведены в табл. 1.

Таблица 1

Составные части программно-технического комплекса_

№ Наименование Основные технические характеристики

1 Цифровая камера Baumer VCXU-13M 1280x1024, '/2», 222 кадров/сек, 10 бит, C-mount, USB3 и Digital I/Os

2 Объективы: AZURE-0814mm AZURE-5020mm 1/2», 2MP, 8mm, C-mount 2/3», 2MP, 50mm, C-mount

3 Набор интерференционных светофильтров компании MidOpt серии BN

4 Осветитель Галогенный источник, 300 Вт

5 Калибровочный экран На основе материала Matte White FiberGlass с широким углом диффузного отражения

6 Блок обработки (ноутбук с предустановленным программным обеспечением «2nd Look») Intel Core I7-8550U / 8Гб / 1 Тб / 2 Гб / USB 3.1; USB 3.0; USB 2.0

Источник автономного питания (аккумулятор) Герметичный, 12В, 7А*ч

Ключевой задачей при реализации ПТК являлась разработка механизма смены светофильтров.

Выведение светофильтров на ось объектива можно организовать множеством способов - как чисто механическими решениями, так и электронно-управляемыми механизмами. Учитывая особенности компоновки, требования к неподвижности светофильтров в момент съёмки кадра, было принято решение в данной реализации ПТК использовать мальтийский механизм, преобразующий постоянное вращение одной оси в прерывистое вращение другой.

1.2. Устройство и принцип работы комплекса. В состав разработанного ПТК

входят:

многоспектральная камера, включающая:

несущую раму с интегрированным в неё механизмом смены светофильтров и блоком управления электродвигателем и камерой;

цифровую камеру видимого диапазона Баишег УСХи-13М; объектив А2иКЕ-0814шш (возможна установка объектива А2иИЕ-5020ММ из комплекта поставки);

набор интерференционных светофильтров компании М1ёОр1 серии БК (12

шт.);

осветитель для съемки объектов с недостаточным уровнем естественного освещения;

калибровочный экран из ткани Matte White FiberGlass с известной характеристикой диффузного и зеркального отражения;

штативы для крепления видеокамеры и калибровочного экрана; ноутбук с предустановленным программным обеспечением «2nd Look»; источник автономного питания - герметичный свинцово-кислотный аккумулятор с выходным напряжением 12 В.

Несущая рама с интегрированным в неё механизмом смены светофильтров и блоком управления электродвигателем и камерой (рис. 1) включает в себя: вращающийся диск с установленными на него светофильтрами; вал, приводимый в действие двигателем; печатную плату с установленными на неё элементами; каретку для крепления видеокамеры; видеокамеру; оптопару;

механизм гашения колебаний.

Фильтры расположены на диске равномерно, по окружности с радиусом R = 80 мм. Диск приводится в движение двигателем постоянного тока через мальтийский механизм, который преобразует равномерное вращательное движение двигателя в прерывистое вращательное движение диска. Реализации мальтийского механизма показана на рис. 2. Каждый оборот вала двигателя выводит на оптическую ось следующий фильтр, а конструкция механизма надёжно фиксирует его в этом положении во время съёмки кадра. Питание двигателя осуществляется от аккумулятора через управляющий полевой транзистор. Для возможности регулировки скорости вращения диска, и соответственно, скорости съёмки, предусмотрено управление двигателем с помощью ШИМ-сигнала.

Рис. 1. Эскиз многоспектральной установки

Рис. 2. Мальтийский механизм, включающий ведомый диск

и ведущий вал

Соответствие посадочных мест на вращающемся диске (рис. 3) и фильтров приведено в табл. 2.

Рис. 3. Расположение фильтров на вращающемся диске

Таблица 2

Соответствие посадочных мест на^ вращающемся диске и фильтров

№ посадочного места Центральная длина волны фильтра, нм № посадочного места Центральная длина волны фильтра, нм

Х Начальная метка «Х» 7 740

1 470 8 785

2 485 9 810

3 520 10 850

4 595 11 880

5 630 12 940

6 650 13 Фильтр отсутствует

Все детали механизма смены фильтров и несущая рама напечатаны на 3D-принтере пластиком HIPS (ударопрочный полистирол). Внизу рамы имеется резьбовое отверстие под стандартный крепёж для камер с резьбой UNC 1/4-20, что позволяет монтировать установку на любой штатив.

Структурная схема электрической части программно-технического комплекса представлена на рис. 4. Синими линиями на схеме выделены цепи питания, зелёными -линии управления. Взаимодействие всех электрических и механических компонентов обеспечивается микроконтроллером Arduino Nano v.3.

Рис. 4. Упрощённая структурная схема электрической части устройства

Схема управления расположена на односторонней печатной плате. На ней же расположены кнопки, позволяющие выбрать необходимый режим работы.

2. Программно-алгоритмическая реализация комплекса. Программная часть комплекса представлена двумя продуктами - «2nd Look» компании IO Industries (Канада) и разработанным программным модулем «Гиперспектральная обработка».

«2ndLook» удобное программное обеспечение для записи данных в режиме реального времени на жесткий диск ПК с видеокамеры. Поддерживает запись многих популярных форматов файлов (TIFF, AVI, JPEG, BMP и т.д) [3]. «2ndLook» поддерживает интерфейсы USB3 Vision, GigE Vision и позволяет выполнять «тонкие» настройки параметров камеры, используемой в комплексе.

Разработанный модуль «Гиперспектральная обработка» реализован с использованием среды Matlab, что позволило сократить время его разработки за счет использования специализированных функций и позволяет:

генерировать тестовые гиперспектральные изображения на основе исходных данных, определяемых пользователем;

сопровождать эксперимент для обеспечения единства методики проведения эксперимента на ПТК, выявления изображений, характеристики которых не удовлетворяют требуемым (например, наличие насыщения в областях интереса и прочее), ведения и обслуживания единой базы данных по проведенным экспериментам;

выполнять анализ экспериментальных данных - автоматизировать расчеты числовых параметров, выбирать наилучшие канальные изображения по заданному критерию, при работе с несколькими сериями, а также графически визуализировать полученные результаты.

Общий алгоритм работы с программно-техническим комплексом заключается в следующем.

Многоспектральная камера подключается к ноутбуку и запускается программное обеспечение «2ndLook». В нём оператор задаёт необходимые параметры (такие как время экспозиции, директорию для записи изображений и др.), устанавливает режим работы по триггеру и включает запись. Камера переходит в режим ожидания сигнала с линии триггера.

Далее оператор нажимает кнопку старта работы на панели управления установкой. Запускается двигатель, приводя в движение диск с фильтрами. В момент вывода очередного фильтра на требуемое место диск одним из своих мелких окон на краю открывает пространство между эмиттером и детектором оптопары, которая отправляет сигнал в микроконтроллер. После небольшой задержки, компенсирующей возможное преждевременное срабатывание оптопары, микроконтроллер через транзисторную сборку отправляет сигнал на вход линии триггера камеры, тем самым подавая команду на съёмку кадра. После того, как на оптическую ось выводится следующий фильтр, алгоритм повторяется.

Последующая обработка полученных экспериментально снимков выполняется в разработанном модуле «Гиперспектральная обработка».

Заключение. Рассмотренный в данной статье комплекс прошел апробацию в ходе экспериментального исследования спектров отражения фонов и объектов, чем доказал свою эффективность и работоспособность при различных погодных условиях и внешней освещенности.

Список литературы

1. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приёмниками излучения // Университетская книга. Логос, 2007. 192 с.

2. Shreer O., Lopex M. S., Peppermuller C., Hierl T., Bachmann K., Clement D., Fries J. Helicopter-Borne Dual-Band Dual-FRA System // Proc. SPIE. 2003. Vol. 5074. P. 637-647.

3. Удобное ПО для записи видео IO Industries 2ndLook. [Электронный ресурс] URL: https://www.cameraiq.ru/catalog/series/2ndLook-po-dlia-zapisi-video (дата обращения: 24.10.2020).

Погорельский Семён Львович, канд. техн. наук, заместитель директора, kbkedr@,tula.net, Россия, Тула, АО «КБП»,

Макарецкий Евгений Александрович, д-р техн. наук, профессор, makaretsky@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Овчинников Александр Викторович, канд. техн. наук, доцент, admin telexamail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Гублин Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, gublinasayandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Понятский Валерий Мариафович, канд. техн. наук, доцент, начальник отдела, pwmruayandex.ru, Россия, Тула, АО «КБП»,

Шилин Аркадий Александрович, канд. техн. наук, начальник сектора, arkadiy.shilinamail.ru, Россия, Тула, АО «КБП»

DEVELOPMENT OF MULTI-SPECTRAL SOFTWARE AND TECHNICAL COMPLEX FOR RESEARCHING OBJECTS AND BACKGROUNDS

S.L. Pogorelsky, E.A. Makaretsky, A. V. Ovchinnikov, A.S. Gublin, V.M. Ponyatsky, A.A. Shilin

A variant of the implementation of a multispectral software and hardware complex based on a digital video camera and a set of interference filters, which provides the formation of a sequential stream of spectral images and their subsequent processing, is presented.

Key words: spectral selection, hyperspectral imaging, television systems, Maltese mechanism.

Pogorelsky Semyen Lvovich, candidate of technical sciences, deputy director, kbkedratiila. net, Russia, Tula, JSC «KBP»,

Makaretskiy Eugene Alexandrovich, doctor of technical science, professor, makaretskyamail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ovchinnikov Aleksandr Victorovich, candidate of technical sciences, docent, admin telex a mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Gublin Aleksandr Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, admin telexamail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ponyatskiy Valeriy Mariafovich, head of department, pwmruayandex. ru, Russia, Tula, JSC «KBP»,

Shilin Arkadiy Alexandrovich, head of sector, arkadiy. shilinamail. ru, Russia, Tula, JSC «KBP»