СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫХ ВИДЕОСИГНАЛОВ
METHOD OF GENERATING OF MULTISPECTRAL VIDEO SIGNALS

Изобретение относится к области спектрозонального телевидения, использующего регистрацию отраженного или излученного потока в нескольких зонах ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Оно может быть использовано для решения задач обнаружения, селекции, измерения параметров и распознавания объектов по спектрально-энергетическим и пространственным признакам и найти применения в системах видеонаблюдения за наземными объектами путем визуального или автоматического анализа спектрозональной видеоинформации.
i
1
n
Спектральная селекция объектов базируется на возможности регистрации отраженного или излученного лучистого потока в нескольких относительно узких спектральных зонах Δλ, которые расположены внутри широкого спектрального участка от λ до λ. При этом в зависимости от решаемой задачи число зон регистрации лучистого (светового) может быть равным величине m=2, 3, 4, …, L.
1
n
Для дистанционного зондирования и анализа объектов поверхности Земли используют, как правило, 3-6 зон регистрации в видимой и ближней инфракрасной (ИК) областях спектра, а также осуществляют регистрацию излученного лучистого потока от объектов в тепловой ИК области спектра. Как известно, в зависимости от типа и класса объектов, величина отражающего (излученного) лучистого потока будет разной для зон регистрации в спектральном интервале длин волн от λ до λ.
i
1
n
Наряду с выбором числа зон регистрации, важное место отводится ширине зон регистрации и их месторасположению в спектральном участке. Основным требованием является нахождение таких зон регистрации Δλ в спектральном интервале длин волн от λ до λ, где бы для большего числа объектов между собой обеспечивалось максимальное значение контраста по амплитуде сигнала, исходя из величины отражательной способности ρ(λ) для каждого объекта. В этой связи эффективность применения методов спектральной селекции в первую очередь зависит от возможности выбора наиболее информативных зон регистрации из их некоторого множества {M}.
УФ
ВИ
ВИ
ИК
ВИК
ИК
1
n
i
В работе [1] введено понятие относительно "узкая" или относительно "широкая" зона регистрации лучистого потока для спектральных участков ультрафиолетовой Δλ, видимой Δλ, видимой+инфракрасной (Δλ+Δλ)=Δλ и инфракрасной Δλ областей спектра и приняты следующие их значения по ширине в общем спектральном интервале от Δλдо Δλ. Для узкой зоны регистрации лучистого (светового) потока по ее ширине Δλ должно выполняться условие
i
УФ
i
ВИ
i
ВИК
i
ИК
Δλ≤Δλ/2, Δλ≤Δλ/3, Δλ≤Δλ/4, Δλ≤Δλ/5,
i
а для широкой зоны регистрации лучистого (светового) потока по ее ширине Δλ, должно выполняться условие в виде
УФ
i
УФ
ВИ
i
ВИ
ВИК
i
ВИК
ИК
i
ИК
Δλ/2<Δλ≤Δλ, Δλ/3<Δλ≤Δλ, (Δλ)/4<Δλ≤(Δλ), Δλ/5<Δλ≤Δλ
Данные о спектрально-энергетических характеристиках объектов, принципах формирования многоспектральных видеосигналов для их последующего отображения в виде черно-белых или цветных спектрозональных телевизионных (ТВ) изображений для визуального анализа или в виде цифровых данных для решения задач автоматической селекции и распознавания объектов нашли должное отражение в большом числе источников отечественной и зарубежной литературы.
Среди них можно отметить такие работы, как Сагдуллаев Т.Ю., Сагдуллаев Ю.С. К вопросу выбора зон регистрации в спектрозональном телевидении. Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2011, вып. 2, С. 3-25 [1], Кринов Е.Л. Спектральная отражательная способность природных образований // М.: АН СССР, 1947. - 168 с. [2], Баррет Э., Куртис Л. Введение в космическое землеведение / Пер. с англ. В.В. Голосова, М.: Прогресс, 1979. - 386 с. [3], Аэрокосмические исследования Земли. Обработка видеоинформации на ЭВМ. М.: Наука: 1978, 245 с. [4], Квиринг Г.Ю. Прикладное телевидение / МЭИС, М., 1989. - 90 с. [5], Цыцулин А.К. Телевидение и космос: Учеб. пособие. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2003. - 228 с. [6], Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С., Сагдуллаев Т.Ю. Спектрозональные методы и системы в космическом телевидении. Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2009, вып. 1, С. 47-64 [7], Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С., Сагдуллаев Т.Ю. Видеоинформационные технологии систем связи. М.: Изд-во "Спутник+", 2011. - 296 с. [8] и др.
Известны системы и способы получения и отображения спектрозональной ТВ информации - способ обработки данных для передачи большого количества цветов // Патент США №3909840, 1975 [9], Телевизионное устройство для спектрозонального наблюдения объектов А.с. №788443 (СССР) // БИ, 1980, №46 [10], которые предусматривают, что спектральные характеристики объектов априорно известны.
Известны технические решения и способы, связанные с повышением различимости объектов, путем оптимизации спектральной характеристики входного звена спектрозональной ТВ системы - Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С. Выбор спектральной характеристики оптического фильтра (ОФ) в спектрозональном телевидении // Труды учебных институтов связи. Теория передачи информации по каналам связи. Вып. 97. Л.: ЛЭИС, 1980. с. 135-140 [11], Зубарев Ю.Б., Селькин В.В. Перестраиваемый ПЗС датчик в спектрозональной телевизионной системе // Техника средств связи. Сер. Техника телевидения, 1980, №5. с. 30-34 [12]. Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С.Спектральная селекция оптических изображений. Ташкент: Фан, 1987. - 108 с. [13], которые в первую очередь затрагивают вопросы спектральной селекции объектов при дифференциальном методе регистрации лучистого потока, то есть при регистрации в относительно узких спектральных зонах, что требует обеспечения высокой чувствительности ТВ датчиков.
1
n
1
n
Недостатком рассмотренных способов и технических решений является необходимость знаний спектральных характеристик объектов для выполнения условий выбора узких зон регистрации в спектральном интервале (участке) длин волн от λ до λ. С другой стороны за счет малой отражательной способности объектов и величины отраженного лучистого потока в сторону спектрозональной ТВ камеры при использовании узких зон регистрации получается низкое отношение сигнал/шум в спектрозональных сигналах, что непосредственно влияет на достоверность селекции и распознавания объектов. Устранение данного недостатка возможно путем регистрации отраженной лучистости в более широких зонах регистрации или во всем спектральном интервале от λ до λ.
В качестве наиболее близкого аналога изобретения по совокупности признаков и операций над сигналами принят способ формирования и отображения спектрозональных телевизионных сигналов по патенту РФ №2374783, МПК H04N 7/18 // авт. Вилкова Н.Н., Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С., опубл. 27.11.2009 г. [14], который использует интегральный способ регистрации лучистого потока. По данному способу регистрация лучистого потока осуществляется в широком участке оптического спектра по сравнению с дифференциальным методом регистрации, когда регистрация лучистого потока осуществляется в относительно узких зонах.
1
n
1
2
1
2
1
2
1
n
1
2
r
Э
S
Суть формирования и отображения спектрозональных ТВ сигналов по известному способу сводится к следующему. Формирование спектрозональных ТВ сигналов происходит по двухканальной оптической схеме, где процесс регистрации отраженного лучистого (светового) или излученного потока осуществляют внутри всего широкого спектрального интервала длин волн от λ до λ, для чего после расщепления входного лучистого потока на два одинаковых потока F(λ) пропускают их через первый и второй широкополосные оптические фильтры ОФ и ОФ, для первого ТВ датчика, имеющего спектральную характеристику Ф(λ), а для второго ТВ датчика - Ф(λ), причем спектральные характеристики первого и второго ОФ и ОФ охватывают весь спектральный интервал от λ до λи удовлетворяют условию Ф(λ)=1-Ф(λ), после чего осуществляют деление первого зонального сигнала на второй и формируют результирующий спектрозональный сигнал изображения U(λ), далее этот сигнал сравнивают с эталонными сигналами U, например, сравнивая их по амплитуде, потом при совпадении этих сигналов, вырабатывают сигнал селекции U для объекта с заданной известной или неизвестной спектральной характеристикой в наблюдаемом пространстве.
1
n
Недостатком рассмотренного способа является тот факт, что нельзя осуществить одновременное формирование амплитудных значений спектрозональных видеосигналов для широких и узких зон регистрации лучистого потока в заданном спектральном участке длин волн от λ до λ, то есть совместить преимущества интегрального и дифференциального метода регистрации лучистого потока.
1
n
Технический результат - обеспечение высокого отношения сигнал/шум путем регистрации входного лучистого потока в широких зонах спектрального интервала длин волн от λ до λ с формированием дополнительных спектрозональных сигналов в узких зонах регистрации лучистого потока для повышения достоверности селекции и распознавания объектов.
1
n
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
i
2
1
i+1
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа формирования и отображения спектрозональных ТВ сигналов, включающего регистрацию лучистого (светового) потока F(λ), отраженного или излученного от объектов в спектральном интервале длин волн от λ до λ, его расщепление на два идентичных потока F(λ) по двухканальной оптической схеме и пропускание через первый и второй широкополосные оптические фильтры ОФ и ОФ, преобразование образованных лучистых потоков F(λ) и F(λ) с использованием ТВ датчиков в спектрозональные видеосигналы U(λ) и U(λ), их раздельную и совместную обработку с формированием третьего спектрозонального видеосигнала, согласно изобретению после расщепления входного лучистого потока F(λ) на два одинаковых потока, каждый из которых пропускают через широкополосные оптические фильтры ОФ и ОФ, для первого ТВ датчика, имеющего прямоугольную спектральную характеристику Ф(λ), а для второго ТВ датчика - прямоугольную спектральную характеристику Ф(λ), причем спектральная характеристика первого ОФ охватывает широкий спектральный участок от λ до λ, а спектральная характеристика второго ОФ охватывает широкий спектральный участок от λ до λ, которые удовлетворяют условию по ширине зоны регистрации в виде
1
2
а затем осуществляют преобразование лучистых (световых) потоков и формирование двух спектрозональных видеосигналов U(λ) и U(λ), после чего выполняют операцию вычитания первого спектрозонального видеосигнала из второго и формируют амплитудные значения третьего спектрозонального видеосигнала в виде
после чего формируемые спектрозональные видеосигналы отображают на экране цветного видеоконтрольного устройства для визуального анализа изображений, а также используют их для автоматической селекции объектов заданного класса.
Использование интегрального метода регистрации по входному лучистому потоку и его преобразование в сигналы изображения позволяет перейти к дифференциальному методу на уровне обработки самих спектрозональных сигналов ТВ изображений. Такой способ будет отображать интегрально-дифференциальный способ регистрации лучистого (светового) потока и формирования спектрозональных видеосигналов.
1
n
Осуществление регистрации входного лучистого (светового) потока в широких зонах спектрального интервала длин волн от λ до λ, по сравнению с узкими зонами регистрации лучистого потока позволяет, с одной стороны, снизить требования к чувствительности ТВ датчиков или при заданной их чувствительности позволяет увеличить отношение сигнал/шум в зональных сигналах. С другой стороны, использование с переменной шириной зон регистрации лучистого потока позволяет на уровне обработки электрических сигналов сформировать спектрозональные видеосигналы с узкой зоной регистрации лучистого потока при высоком отношении сигнал/шум вычитаемых сигналов.
1
n
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
i
2
1
i+1
Для достижения указанного результата предлагается способ формирования спектрозональных видеосигналов, включающий регистрацию лучистого (светового) потока F(λ), отраженного или излученного от объектов в спектральном интервале длин волн от λ до λ, его расщепление на два идентичных потока F(X) по двухканальной оптической схеме и пропускание через первый и второй широкополосные оптические фильтры ОФ и ОФ, преобразование образованных лучистых потоков F(λ) и F(λ) с использованием ТВ датчиков в спектрозональные видеосигналы U(λ) и U(λ), их раздельную и совместную обработку с формированием третьего спектрозонального видеосигнала, в котором после расщепления входного лучистого потока F(λ) на два одинаковых потока, каждый из которых пропускают через широкополосные оптические фильтры ОФ и ОФ, для первого ТВ датчика, имеющего прямоугольную спектральную характеристику Ф(λ), а для второго ТВ датчика - прямоугольную спектральную характеристику Ф(λ), причем спектральная характеристика первого ОФ охватывает широкий спектральный участок от λ до λ, а спектральная характеристика второго ОФ охватывает широкий спектральный участок от λ до λ, которые удовлетворяют условию по ширине зоны регистрации в виде
1
2
а затем осуществляют преобразование лучистых (световых) потоков и формирование двух спектрозональных видеосигналов U(λ) и U(λ), после чего выполняют операцию вычитания первого спектрозонального видеосигнала из второго и формируют амплитудные значения третьего спектрозонального видеосигнала в виде
после чего формируемые спектрозональные видеосигналы отображают на экране цветного видеоконтрольного устройства для визуального анализа изображений, а также используют их для автоматической селекции объектов заданного класса.
В зависимости от необходимо числа формируемых дополнительных спектрозональных видеосигналов, ТВ камера может быть построена по двухканальной или многоканальной оптической схеме расщепления входного лучистого потока на несколько идентичных потоков и их преобразования в спектрозональные видеосигналы.
1
n
В общем случае могут быть использованы 3, 4, 5…L зон регистрации лучистого потока с переменной шириной в спектральном интервале длин волн от λ до λ, на основе которых формируют спектрозональные видеосигналы ТВ изображений вида
Использование операции вычитания между собой амплитудных значений соседних спектрозональных видеосигналов ТВ изображений позволяет формировать новые спектрозональные видеосигналы, которые будут соответствовать отдельным узким зонам
3
1
2
1
3
2
3
2
1
n
Выбирая необходимую ширину соседних зон регистрации лучистого потока, например, (λ-λ) и (λ-λ) можно получить значение видеосигнала для любой узкой зоны регистрации (λ-λ). Изменяя значение длины волны λ или λ, можно достичь требуемой ширины для выбираемой узкой зоны регистрации в заданном спектральном интервале длин волн от λ до λ.
Спектрозональная ТВ система, реализующая предлагаемый способ формирования спектрозональных видеосигналов, представлена на фиг. 1.
Позиции:
1 - объектив;
2 - устройство расщепления лучистого (светового) потока на два идентичных потока;
3 - оптические фильтры (далее ОФ);
4 - блок управления оптическими фильтрами;
5 - преобразователи "лучистый (световой) поток-сигнал" (ТВ датчики);
6 - синхрогенератор;
7 - усилители-формирователи;
8 - блок формирования нового спектрозонального видеосигнала;
9 - блок памяти и обработки сигналов;
10 - инвертор и коммутатор;
11 - цветное видеоконтрольное устройство;
12 - блок управления;
13 - блок автоматической селекции заданных объектов.
1
2
1
2
1
2
1
2
Синхрогенератор 6 вырабатывает необходимые строчные и кадровые импульсы, которые используются для развертки (считывания) изображения в ТВ датчиках 5 и 5, для формирования на выходе усилителей - формирователей 7 и 7 спектрозональных видеосигналов U(λ) и U(λ). Указанные импульсы с синхрогенератора поступают также на входы блоков 8, 11. В качестве ТВ датчиков 5 и 5 могут быть использованы любые преобразователи "лучистый (световой) поток-сигнал" в виде известных передающих трубок (типа видикон), ПЗС матриц, КМОП фотоприемников или других преобразователей лучистого (светового) потока в электрический сигнал изображения.
1
2
1
2
1
2
ОФ 3 и 3 для первого и второго канала формирования спектрозональных видеосигналов U(λ) и U(λ) имеют ширину зоны регистрации и форму спектральных характеристик, как показано для примера на фиг. 2. Поскольку общее число ОФ, удовлетворяющих данному условию, может быть разным, выбираются отдельные группы ОФ. Для этого с помощью блока управления ОФ 4 изменяются спектральные характеристики ОФ 3 и 3 в зависимости от их исполнения (механическим - за счет замены фильтров или электронным путем). Надо отметить, что спектральные характеристики ОФ могут иметь форму, отличную от прямоугольной.
В спектрозональной ТВ системе, показанной на фиг. 1, используется двухканальная оптическая схема. Здесь общий входной лучистый поток F(λ) расщепляется на два идентичных потока, каждый из которых проходит через свой оптический фильтр, имеющий спектральную характеристику для выполнения условия (1).
1
2
1
2
1
2
Пройдя первый и второй ОФ, образованные лучистые потоки F(λ) и F(λ) проецируется на светочувствительную поверхность первого и второго ТВ датчика 5 и 5. После преобразования лучистых потоков с выхода ТВ датчиков каждый сформированный спектрозональный сигнал изображения поступает на свой вход усилителя - формирователя 7 и 7, где происходят операции усиления, раздельной обработки спектрозональных сигналов изображений и их смешивания со строчными и кадровыми импульсами.
1
2
С выхода блока 7 и 7 спектрозональные видеосигналы поступают на блок обработки и формирования третьего спектрозонального видеосигнала 8, с выхода которого спектрозональные видеосигналы поступают на входы блока памяти и обработки спектрозональных видеосигналов 9 для автоматической селекции заданных объектов. С первого выхода блока 9, через инвертор полярности и коммутатора спектрозональные видеосигналы поступают на входы RGB цветного видеоконтрольного устройства (ВКУ). В блоке 13 формируются сигналы автоматической селекции заданного класса объектов. С панели управления 12 поступают управляющие сигналы на блок 4 для смены ОФ, на блоки 9 и 10 для управления обработкой и коммутацией спектрозональных видеосигналов на входы ВКУ 11.
В табл.1 показаны возможные сочетания амплитуды спектрозональных видеосигналов и условные цвета их отображения на экране цветного ВКУ при использовании трех зон регистрации лучистого потока.
1
2
3
При этом принимается, что число уровней сигнала (градаций яркости) в спектрозональном изображении минимально и может иметь два уровня (условно "1" и "0"). Здесь зональный сигнал первой зоны регистрации U(Δλ) подается на вход красного, сигнал второй зоны регистрации U(Δλ) - на вход зеленого и сигнал третьей зоны регистрации U(Δλ) - на вход синего каналов цветного ВКУ. Согласно принятому алгоритму каждому объекту при отображении сигналов будет соответствовать свой цвет на экране цветного ВКУ.
1
2
3
Объекты, которые имеют одинаковое распределение спектрально-энергетических характеристик в этих трех зонах регистрации лучистого потока, будут отображаться на экране цветного ВКУ в одинаковых цветах. Таким образом, для задач визуального анализа можно осуществить селекцию объектов многокомпонентных изображений, каждый из которых будет отображаться своим условным цветом, где видеосигнал первой зоны регистрации Δλ отображается в красном цвете, второй зоны регистрации Δλ - в зеленом цвете, а третьей Δλ - в синем цвете.
Как было ранее отмечено, в блоке 13 формируются сигналы автоматической селекции объектов заданного класса. На фиг.3 в качестве примера показана развернутая общая схема автоматической селекция объектов заданного класса при цифровой обработке сигналов.
При формировании цифровых спектрозональных ТВ сигналов каждому классу объектов будет соответствовать определенная кодовая последовательность двоичных чисел на выходе источника спектрозональных видеосигналов (ИСВС). Примем, что формируемые сигналы принимают свои значения в виде двух уровней сигнала (условно "1" и "0", как показано в табл. 1). Тогда, подавая сигналы с выходов такого источника на входы п-дешифраторов (ДШ) импульсов, настроенных на определенную кодовую последовательность, можно осуществить селекцию сигнала объекта того или иного класса, присутствующих в наблюдаемом пространстве. В этой схеме сигналы с выхода дешифраторов в виде значений логической "1", через многопозиционный коммутатор K, подаются к внешним потребителям информации.
Источники информации
1. Сагдуллаев Т.Ю., Сагдуллаев Ю.С. К вопросу выбора зон регистрации в спектрозональном телевидении. Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2011, вып. 2, С. 3-25.
2. Кринов Е.Л. Спектральная отражательная способность природных образовани // М.: АН СССР, 1947. - 168 с.
3. Баррет Э., Куртис Л. Введение в космическое землеведение / Пер. с англ. В.В. Голосова. - М.: Прогресс, 1979. - 386 с.
4. Аэрокосмические исследования Земли. Обработка видеоинформации на ЭВМ. - М.: Наука, 1978 -. 245 с.
5. Квиринг Г.Ю. Прикладное телевидение / МЭИС, М., 1989. - 90 с.
6. Цыцулин А.К. Телевидение и космос: Учеб. пособие. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2003. - 228 с.
7. Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С., Сагдуллаев Т.Ю. Спектрозональные методы и системы в космическом телевидении. Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2009, вып. 1, С. 47-64.
8. Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С., Сагдуллаев Т.Ю. Видеоинформационные технологии систем связи. - М.: Изд-во "Спутник+", 2011. - 296 с.
9. Сагдуллаев Т.Ю., Сагдуллаев Ю.С. К вопросу выбора зон регистрации в спектрозональном телевидении. Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2011, вып. 2, С. 3-25.
10. Патент США №3909840, 1975.
11. Телевизионное устройство для спектрозонального наблюдения объектов А.с. №788443 (СССР) // БИ, 1980, №46.
12. Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С. Выбор спектральной характеристики оптического фильтра в спектрозональном телевидении // Труды учебных институтов связи. Теория передачи информации по каналам связи. Вып. 97. Л.: ЛЭИС, 1980. С. 135-140.
13. Зубарев Ю.Б., Селькин В.В. Перестраиваемый ПЗС датчик в спектрозональной телевизионной системе // Техника средств связи. Сер. Техника телевидения, 1980, №5. С. 30-34.
14. 3убарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С. Спектральная селекция оптических изображений. Ташкент: Фан, 1987. - 108 с.
15. Патент РФ на изобретение №2374783. Способ формирования и отображения спектрозональных телевизионных сигналов / Вилкова Н.Н., Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С. - приоритет от 04.05.2008. - опубл. 27.11.2009. Бюл. №33.