Способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов
METHOD OF GENERATING DIGITAL MULTISPECTRAL TELEVISION SIGNALS

Изобретение относится к области спектрозонального телевидения, использующего регистрацию отраженного или излученного потока з нескольких зонах оптического спектра.
1
2
n
1
2
n
Известен способ формирования спектрозональных телевизионных сигналов, описанный в статье Ю.Б. Зубарева, Ю.С. Сагдуллаева, Т.Ю. Сагдуллаева «Спектрозональные методы и системы в космическом телевидении», журнал «Вопросы радиоэлектроники», серия «Техника телевидения», вып. 1, 2009 г., с. 47-64, заключающийся в получении электрических сигналов U, U … U для соответствующих элементов спектрозональных изображений, пропорциональных яркости света в каждом из n световых потоков, выделяемых оптическим путем в соответствующих узких зонах регистрации Δλ, Δλ, … Δλ.
Недостатком данного способа является сложность в реализации из-за необходимости применения дорогостоящих узкополосных интерференционных фильтров.
1
i
1
i+1
i+1
1
i
1
1
2
3
i+1
i
Известен способ формирования спектрозональных видеосигналов. Данный способ включает в себя регистрацию отраженного или излученного потока в нескольких зонах оптического спектра. При этом после расщепления входного лучистого потока на два идентичных потока, каждый из них пропускают через широкополосные оптические фильтры ОФ1 и ОФ2. Причем спектральная характеристика первого ОФ1 охватывает широкий спектральный участок от λ до λ, а спектральная характеристика второго ОФ2 охватывает широкий спектральный участок от λ до λ, которые удовлетворяют условию по ширине зоны регистрации в виде (λ-λ)>(λ-λ). Затем преобразуют лучистые потоки и осуществляют формирование двух спектрозональных видеосигналов U(λ) и U(λ). Выполняют операцию вычитания первого зонального сигнала из второго и формируют амплитудные значения третьего зонального сигнала U(λ), которые соответствуют более узкой зоне регистрации (λ-λ). После чего обрабатывают полученные спектрозональные видеосигналы и анализируют их (пат. RU №2604898, от 26.06.2015).
Недостатком рассмотренного способа является необходимость расщепления входного лучистого потока на два идентичных потока, что приводит к уменьшению светового потока в спектрозональных каналах и, как следствие к уменьшению чувствительности системы.
Известен способ формирования спектрозональных телевизионных сигналов, описанный в работе Ю.С. Сагдуллаева и Т.Ю. Сагдуллаева «К вопросу выбора зон регистрации в спектрозональном телевидении». // Вопросы радиоэлектроники, серия Техника телевидения, вып. 2, 2011 г., 20 с.
Данный способ позволяет использовать недорогие стандартные цветные оптические светофильтры, имеющие расширенные зоны регистрации при спектральных характеристиках, достаточно близких к прямоугольным. К таким стандартным оптическим светофильтрам относятся, например, цветные стекла типа ЖС, ОС, КС, имеющие крутой перепад спектральной характеристики, соответственно, в желтой, оранжевой и красной областях спектра.
1
макс
1
макс.
2
макс.
n
макс.
1
2
n
макс.
1
2
n
вых1
1
2
вых2
2
3
вых n
n-1
n
1
2
2
3
n-1
n
По данному способу формирование спектрозональных телевизионных сигналов по известному способу сводится к следующему. Из светового потока в общем спектральном интервале λ÷λ оптическим путем выделяют n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ, где λ<λ … <λ<λ, затем формируют электрические сигналы, пропорциональные яркости света в элементах спектрозональных изображений, и получают соответствующие цифровые коды U, U … U, из которых формируют разностные выходные цифровые коды U=U-U, U=U-U, …, U=U-U, соответствующие узким зонам регистрации λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ.
Недостатком данного способа является низкая точность, поскольку при взаимном вычитании цифровых кодов форма выходного сигнала искажается. В случае, если вычитаемое больше уменьшаемого, то получаемая отрицательная разность для отсчета яркости не имеет физического смысла. В этом случае в качестве результата берется либо модуль яркости, либо результирующему (выходному) отсчету яркости присваивается нулевое значение. Сохранение формы выходного сигнала, в данном случае, должно проявляться в изменении его полярности, что отсутствует при реализации данного способа.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, является принятый за прототип способ, описанный в патенте №2679921 RU, МПК H04N 7/18. Способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов / Калитов М.А., Корнышев Н.П. /Заявл. 28.04.2018; опубл. 14.02.2019. - 2019. - Бюл. 5.
1
макс.
1
макс.
2
макс.
n
макс.
1
2
n
макс.
1
2
n
вых1
1
2
вых2
2
3
вых n-1
n-1
n
1
2
2
3
n-1
n
макс.
По данному способу формирование цифровых спектрозональных телевизионных сигналов осуществляется выделением оптическим путем из светового потока в общем λ÷λ спектральном интервале (n-1) спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ, где λ<λ … <λ<λ, формированием электрических сигналов, пропорциональных яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразованием их в соответствующие цифровые коды U, U … U, вычислением разности цифровых кодов U=U-U, U=U-U, …, U=U-U и формированием выходных кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующих узким зонам регистрации λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ, в соответствии с выражениями  …,  где U максимально возможное значение цифрового кода.
вых1
1
2
вых2
2
3
вых n-1
n-1
n
Недостатком данного способа является низкая контрастность получаемого изображения, а, следовательно, и низкая точность, поскольку разности цифровых кодов U=U-U, U=U-U, …, U=U-U имеют весьма малый размах по сравнению с динамическим диапазоном возможного изменения сигнала.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение контрастности изображения, получаемого при формировании цифровых спектрозональных телевизионных сигналов.
Технический результат заявляемого технического решения выражен в повышении контрастности изображения, получаемого при формировании цифровых спектрозональных телевизионных сигналов за счет существенного увеличения размаха выходного сигнала.
1
макс.
1
макс.
2
макс.
n
макс.
1
2
n
макс.
1
2
n
вых1
1
2
макс.
вых2
2
3
макс.
вых n-1
n-1
n
макс.
макс.
1
2
n
1
2
2
3
n-1
n
1
2
2
3
n-1
n
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, включающего выделение оптическим путем из светового потока в общем λ÷λ спектральном интервале n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ÷λ, λ÷λ, … λ÷λ, где λ<λ … <λ<λ, формировании электрических сигналов, пропорциональных яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразовании их в соответствующие цифровые коды U, U … U и вычислении выходных цифровых кодов U=ƒ(U;U;U), U=ƒ(U;U;U), …, U=ƒ(U;U;U), где U максимально возможное значение цифровых кодов U, U … U, согласно изобретению первоначально коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ, вычисляют по формулам  или по формулам  …  затем определяют максимальные значения  соответствующих вычисленных цифровых кодов  а выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ, формируют в соответствии с выражениями  …
1
макс.
1
макс.,
2
макс.
n
макс.
1
2
n
макс.
1
2
n
вых1
1
2
макс.
вых2
2
3
макс.
вых n-1
n-1
n
макс.
макс.
1
2
n
1
2
2
3
n-1
n
1
2
2
3
n-1
n
Для достижения указанного выше технического результата предложен способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, включающий выделение оптическим путем из светового потока в общем λ÷λ спектральном интервале n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ÷λ λ÷λ, …, λ÷λ, где λ<λ … λ<λ, формирование электрических сигналов, пропорциональных яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразование их в соответствующие цифровые коды U, U … U и вычисление цифровых кодов U=ƒ(U;U;U), U=ƒ(U;U;U), … U=ƒ(U;U;U), где U максимально возможное значение цифровых кодов U, U … U, коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ, вычисляют по формулам  …  или по формулам  … , определяют максимальные значения  …  соответствующих вычисленных цифровых кодов  …  а выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ, формируют в соответствии с выражениями  …
В качестве примера на фиг. 1 показана спектрозональная телевизионная система, реализующая предлагаемый способ, где:
1 - объектив;
2 - линейка светофильтров;
3 - телевизионная камера;
4 - устройство видеозаписи;
5 - компьютер.
Объектив 1 и линейка 2 светофильтров, оптически связаны с телевизионной камерой 3, последовательно подключенной к устройству видеозаписи 4 и компьютеру 5.
1
макс.
1
макс.
2
макс.
n
макс.
1
2
n
макс.
Способ осуществляется следующим образом. Световой поток в общем спектральном интервале λ÷λ проходит через объектив 1, в заднем рабочем отрезке которого размещается линейка 2 стандартных светофильтров типа ЖС, ОС, КС. В простейшем случае линейку 2 светофильтров в заднем рабочем отрезке объектива перемещают вручную, последовательно устанавливая перед фотоприемником телевизионной камеры 3 светофильтры, выделяющие спектрозональные световые потоки в интервалах длин волн λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ, где λ<λ … <λ<λ
1
2
n
макс.
1
2
n
1
2
2
3
n-1
n
Каждое получаемое спектрозональное оптическое изображение последовательно преобразуется телевизионной камерой 3 в электрический сигнал, который в свою очередь преобразуется в цифровую форму стандартным устройством 4 видеозаписи и последовательно вводится в компьютер 5. Введенные в компьютер исходные цифровые коды элементов спектрозональных изображений цифровые коды U, U … U обрабатываются программным путем с целью получения произведений цифровых кодов  …  или  …  где U максимально возможное значение цифровых кодов U, U … U. Затем определяют максимальные значения  …,  соответствующих вычисленных цифровых кодов  …,  и, формируют выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ, в соответствии с выражениями  … . Выходные коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов используют для их отображения на экране дисплея компьютера.
1
макс.
2
макс.
n
макс.
1
макс.
1
2
3
4
В качестве примера на фиг. 2 показаны спектральные характеристики стандартных светофильтров ЖС4, ЖС18, КС11 и КС19 для расширенных спектральных интервалов λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ в общем диапазоне длин волн λ÷λ, при помощи которых формируются исходные световые потоки, преобразуемые цифровые коды U, U, U, U пропорциональные яркости для соответствующих элементов исходных спектрозональных телевизионных изображений представленных на фиг. 3 (а, б, в, г).
На фиг. 4 показаны примеры результирующих изображений, получаемые по способу-прототипу (фиг. 4а) и по заявляемому способу (фиг. 4б). Изображение, полученное по способу-прототипу (фиг. 4а) имеет низкую контрастность. Контрастность изображения, полученного по заявляемому способу (фиг. 4б), визуально существенно выше. Количественное сравнение разностей максимальных и минимальных значений цифровых кодов, полученных по способу-прототипу и по заявляемому способу при обработке изображений, приведенных на фиг. 3а, 3б, 3в и 3г, показано на фиг. 5. Как видно из приведенных на фиг. 5 сравнительных диаграмм, заявляемый способ обеспечивает повышение контрастности изображений не менее чем в 1,5 раза.
Спектрозональные изображения для исследуемого объекта могут быть получены путем последовательной съемки стандартной телевизионной камерой через стандартные светофильтры типа ЖС, ОС или КС с фиксацией в компьютере через стандартное устройство видеозаписи типа AverEZCapture фирмы AverMedia, подключаемое PCI- шине компьютера. Результирующее изображение может быть получено путем программирования в среде стандартного пакета MATLAB или путем создания специализированной программы в среде С++.