Метод поляризационного тепловизионного распознавания трехмерной формы объектов

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

УДК 681.7.015.2

В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, О.К. Ушаков, Ю.А. Фесько СГГ А, Новосибирск

МЕТОД ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ТЕПЛОВИЗИОННОГО РАСПОЗНАВАНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ФОРМЫ ОБЪЕКТОВ

В работе приводятся методы и способы дистанционного определения объемной формы объектов и получения их трехмерного изображения. Приводится сравнительный анализ различных способов распознавания. Также описан способ получения трехмерных изображений объектов по собственному поляризованному ИК излучению в реальном масштабе времени.

тепловидение, поляризация, термограмма, трехмерное изображение.

V.M. Tymkul, L. V. Tymkul, O.K. Ushakov, Yu.A. Fesko SSGA, Novosibirsk

METHOD FOR RECOGNITION OF THREE-DIMENSIONAL SHAPE OF OBJECTS IN ITS POLARIZED THERMAL RADIATION

In article presents methods and techniques of remote determination of the three-dimensional shape of objects and getting their three-dimensional image. The comparative analysis of different methods of detection. Also provides a method of obtaining three-dimensional images of objects on their own polarized infrared radiation in real time.

thermal imaging, polarization, thermogram, three-dimensional image.

В настоящее время широко используется представление оптических изображений в трехмерном виде. Применяемые технологии трехмерного сканирования являются весьма трудоемкими и, как правило, требуют ручной доводки получаемых в итоге их применения результатов. Для получения недостающей третьей координаты сканируемого объекта, а именно глубины, в этих технологиях используется либо время задержки отражений лазерного сканирующего луча от объекта, либо степень искажения проекций на сканируемый объект специальной решетки, например решетки в виде полос, смещение соответствующих точек сканируемого объекта на стереоизображениях или применяются методы вычисления третьей координаты, основанные на использовании эффекта размытия изображения, обусловленного конечностью глубины фокусировки оптической системы.

Перечисленные методы имеют следующие ограничения.

Лазерные сканеры применяют в настоящее время для сканирования только крупных объектов, таких как здания, вышки, башни, заводские территории, железнодорожные станции, аэропорты и т. д., поскольку погрешность измерения глубины при сканировании небольших объектов оказывается слишком большой.

В случае применения технологий, когда на сканируемый объект проецируется специальная решетка в виде полос, возникает проблема сшивания изобра-

74

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

жений, полученных по нескольким проекциям. Поскольку у реальных объектов различные части имеют сильно различающуюся детализацию, то в областях высокой детальности в создаваемую модель приходится вручную добавлять точки, что делает метод трудоемким. Кроме того, при использовании нескольких камер либо одной с различными ракурсами, нужно предварительно провести калибровку, т. е. определить их взаимное расположение.

Недостаток технологии, основанной на использовании стереоизображений, заключается в том, что при её применении трудно обеспечить точное соответствие пикселов на изображениях объекта, полученных с двух камер в бесструктурных областях, вследствие чего невозможно обеспечить достаточную точность получаемых трехмерных изображений.

При вычислении глубины резкости оптических систем основные недостатки - это низкая точность получаемых результатов и высокая трудоемкость.

Дальнейшее развитие методов и способов тепловизионного распознавания объемной формы объектов [1-5] предопределяет возможность определения их трехмерной формы в реальном масштабе времени. В этой связи рассмотрим некоторые современные методы и способы бесконтактного измерения и контроля линейных размеров трехмерных объектов [2, 7, 8], которые являются аналогами предложенного нами способа распознавания трехмерной формы объектов на основе одной поляризационной комбинированной термограммы [9].

Способ бесконтактного измерения трехмерных объектов [7] заключается в проецировании плоского луча света на измеряемую поверхность яркой контрастной линии, регистрации её с помощью цифрового фоторегистрирующего устройства, передаче изображения этой линии на вычислительное устройство, определении вычислительным устройством рельефа измеряемой поверхности в плоскости луча по величине искривления линии. При этом плоский луч неподвижен относительно фоторегистрирующего устройства, а сканирование его по всем сечениям измеряемой поверхности осуществляют ручным перемещением фоторегистрирующего устройства.

Недостатком данного способа является недостаточная точность измерения в зонах малых углов наклона относительно направления проецирования луча, а также необходимость наличия опорных линий, которые должны быть неподвижны относительно измеряемого объекта. Помимо этого, на точность результатов измерения влияет угол проецирования полосы света и угол регистрации. Г лавным недостатком этого способа является использование источника излучения.

Способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов [8] заключается в многократном формировании на поверхности контролируемого объекта зондирующей структурированной подсветки путем освещения поверхности контролируемого объекта пучком оптического излучения, каждый раз с увеличением пространственной модуляцией интенсивности пучка оптического излучения, а также последовательной регистрации изображений искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта структуры зонди-

75

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

рующей подсветки и определения высоты рельефа поверхности контролируемого объекта по степени искажения изображения структуры зондирующей подсветки. Для каждой точки контролируемого объекта определяют зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения. Используют полученные калибровкой калибровочной поверхности зависимости интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения для калибровочной поверхности, определенной как базовая. Для определения высоты рельефа поверхности контролируемого объекта определяют расстояние от базовой поверхности до точки калибровочной поверхности, в которой зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения в наибольшей степени подобна зависимости в исследуемой точке контролируемого объекта.

Недостатками данного способа являются: 1) необходимость регистрировать более двух изображений структуры подсветки, так как погрешность способа уменьшается с увеличением количества изображений; 2) необходимость в обеспечении подсветки и ее модуляции и зависимости расположения активного канала от регистрирующего канала.

Способ распознавания формы объектов [2] заключается в сканировании поверхности объекта по строке и кадру поляризации собственного теплового излучения объекта, преобразовании поляризованного теплового сигнала в электрический сигнал с последующим запоминанием, формировании четырех поляризационных тепловизионных изображений объекта с азимутами поляризации 0, 45, 90, 135° соответственно для определения формы объекта по формулам, сформированным на значениях видеосигналов этих четырех термограмм.

Недостатком этого способа является тот факт, что он не учитывает эллиптичность поляризации теплового излучения реальных объектов, что ограничивает его применение только для объектов с частично линейно-поляризованным тепловым излучением и делает невозможным распознавание в реальном масштабе времени.

Наиболее близкий, по сути к достигаемому результату, является способ тепловизионного распознавания формы объектов [5]. Способ заключается в сканировании поверхности объекта, поляризации собственного теплового излучения объекта, преобразовании поляризованного тепловизионного сигнала в электрический с последующим запоминанием и анализом электрического сигнала, формировании двух поляризационных тепловизионных изображений с азимутами поляризации 45 и 90о, соответственно, а форма объекта внутри контура определяется по формулам, сформированным по значениям видеосигналов этих двух термограмм.

Недостатком данного способа является отсутствие возможности реализовать процесс распознавания формы объектов в реальном масштабе времени. Это связано с тем, что необходимо зафиксировать во времени азимуты поляризации теплового излучения объекта, равные 45 и 90о и при этих азимутах за-

76

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

помнить термограммы, а потом проводить анализ видеосигналов элементов изображения для получения через них формы объекта внутри контура.

Задачей, на решение которой направлен предлагаемый нами метод, является дистанционное распознавание формы объекта внутри его тепловизионного контура на основе одного поляризационного изображения.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в распознавании и трехмерной визуализации формы объекта в реальном масштабе времени, расширение информативности тепловизионного канала оптических и оптико-электронных систем распознавания трехмерных объектов.

Поставленная задача достигается за счет того, что в методе тепловизионного распознавания формы объектов, заключающемся в сканировании поверхности объекта, поляризации его оптического излучения, преобразовании поляризационного тепловизионного сигнала в электрический с последующим запоминанием и анализом сигнала и формировании поляризационного тепловизи-онного изображения объекта согласно изобретению формируют одно теплови-зионное изображение, получаемое с использованием комбинированного поляризационного фильтра, при этом форму объекта внутри его контура определяют выражениями:

z(N)ly-const = z(N -1) + Ax(N) х

xtg( arccos

i --f

3a V

и2 г

18(1 - U) + (1 - U)3 - (1 - U)4 +11(1 - U) -1

-2

х

x cos

1

arctg

(1 - U)4 +11(1 - U) -1

18(1 - U) + (1 - U)3

+

1Z_U

3a

; 0)

xz

z(L)l

x=const

z(L -1) + Ay(L) x

xtg( arccos

1 -

3a V L

18(1 - U) + (1 - U)3

(1 - U)4 +11(1 - U) -1

x

x cos

1

3arctg

(1 - U)4 +11(1 - U) -1

18(1 - U) + (1 - U)3

+

1Z_U

3a

yz

где x, y, z - декартовы координаты на поверхности объекта; L, N - номер строки и элемента строки тепловизионного кадра; Ay, Az - шаг сканирования при сканировании вдоль координат OY и OZ; U - величина видеосигнала теплови-зионного изображения с комбинированным поляризационным фильтром; а -постоянная, характеризующая материал и шероховатость поверхности объекта.

77

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

Рассмотрим оптико-физическое обоснование метода распознавания объемной формы объектов на основе одной комбинированной поляризационной термограммы.

Вектор-параметр Стокса собственного теплового излучения объекта имеет вид:

Pcos2tcos2 у Psin2tcos2y V Psin2y у

где Ф - поток собственного излучения объекта; Р, t, у - степень, азимут и степень эллиптичности поляризации теплового излучения объекта.

В качестве комбинированного поляризационного фильтра используется последовательно расположенные ахроматическая пластинка У4 с углом ориентации быстрой оси © = 45° и линейный инфракрасный поляризатор с азимутом а = 0°. Матрицы пропускания пластинки У4 и линейного поляризатора имеют вид:

Т;

i,j

_ Tv 4

Т

i,k

= Тт

< 1 0 0 0 ^

0 0 0 -1

0 0 1 0

V0 1 0 0,

(1 1 0 0 ^

1 1 0 0

0 0 0 0

V 0 0 0 0,

где Ху4, тп - энергетический коэффициент пропускания пластинки У4 и поляризатора.

Так как первый элемент вектор-параметра Стокса теплового излучения, прошедшего через комбинированный фильтр, представляет собой значение энергетического потока теплового излучения объекта, то выходной сигнал на выходе приемника излучения записывается в виде:

U

Вектор-параметр Стокса - это характеристика оптического излучения, которая количественно описывает как энергетические, так и поляризационные свойства излучения объектов.

78

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

где S - чувствительность приемника излучения, который располагается после комбинированного фильтра.

На основании формул

tgy =

где s±, S|| - перпендикулярная и параллельная компоненты коэффициента излучения материала поверхности объекта, уравнение для выходного сигнала в нормированном виде записывается в виде:

P3 +

Учитывая выражение связи степени поляризации P теплового излучения плоского элемента поверхности с углом ориентации у элемента по отношению к наблюдателю

P

и формулу (9), получим связь угла ориентации локальных элементов поверхности объекта через видеосигналы U этих элементов:

2

3a

18(1 - U) + (1 - U)3

(1 - U)4 +11(1 - U) -1

х

у = arccos <

х cos

1

3arctg

(1 - U)4 +11(1 - U) -1 18(1 - U) + (1 - U)3

1 - U

+------

3a

>.

Эта функциональная связь угла у и видеосигнала U и используется для определения формы объекта.

Практически при обработке термограмм процесс определения формы объектов осуществляется по следующим выражениям:

z

z

которые, с учетом (10), формируют выражения (1) и (2).

Необходимо отметить, что постоянная а в формуле (10) зависит от оптических постоянных и шероховатости материала поверхности объекта и имеет следующий вид:

a = Pm  S:

79

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

где

m

(1 Pd)-(1~pi)_ . (1 — pD) + (l -pl)_

p _ C2 + b2 - 2csin уm + sin2 уmtgVm p .

Pd 2 1 2 ^ • 2 . 2 P^ ’

c + b + 2csin уm + sin уmtg уm

2 2 2

_c + b - 2ccosуm + cos у

P^ 2 2 2

c + b + 2ccosуm + cos уm

m

2 1

2n

0 U-

n

- k2 - (n2 sin2 у m )2 + 4n2k2 I 2 + n2 - k2 - n0 sin2 у m

b2 _ 1

2n

0

n2 - k2 - (n^ sin2 уm) + 4n2k2

^ 1/

2 - n2 + k2 + n^sin2 у

m

где n, k - оптические постоянные материала покрытия объекта; у m - угол излучения, при котором наблюдается максимум степени поляризации теплового излучения материала поверхности объекта; n0 - показатель преломления среды, в котором находится объект; 5 - коэффициент, зависящий от индикатрисы излучения и шероховатости материала поверхности объекта.

На рисунке изображена схема реализации способа, являющегося техническим решением предложенного метода распознавания трехмерной формы объектов [9].

Рис. Функциональная схема реализации способа распознавания трехмерной формы объектов на основе однополяризационной комбинированной термограммы

Схема включает измеряемый объект 1, комбинированный поляризационный фильтр 2, который представляет собой последовательно расположенные ахроматическую пластинку У4 и инфракрасный поляризатор, оптическую сис-

80

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

тему 3, матричный приемник излучения 4, блок усиления 5, блок обработки информации 6, блок хранения информации 7, ЭВМ 8, программное обеспечение 9 и устройство вывода информации 10.

Работа способа заключается в следующем: тепловое излучение исследуемого объекта 1 проходит комбинированный поляризационный фильтр 2, на выходе которого излучение приобретает в общем виде эллиптическую форму поляризации, далее излучение фокусируется оптической системой 3 на матричный приёмник излучения (МПИ) 4, где преобразовывается в электрический сигнал, сигнал от МПИ поступает на вход блока усиления 5, из которого поступает в блок обработки информации 6, далее информация поступает в блок хранения 7, из блока хранения передается на ЭВМ, где программным обеспечением 9 производится обработка и вычисление декартовых координат, две из трёх декартовых координат определяются размерами теплового изображения, а вычисление третьей координаты осуществляется за счет функциональной зависимости степени поляризации теплового излучения каждого из элементов изображений от угла ориентации излучающей площадки относительно направления её наблюдения и передается на устройство вывода информации 10.

При необходимости дистанционного измерения температуры поверхности наблюдаемого объекта целесообразно воспользоваться разработанным нами способом измерения температуры [10].

Способ тепловизионного распознавания формы поверхности объектов может быть использован в оптических и оптико-электронных системах распознавания, измерительной технике для измерения размеров и визуализации профиля измеряемой поверхности трехмерных объектов. Главное преимущество предлагаемого способа распознавания формы объектов перед известными способами заключается в отсутствии необходимости обеспечивать подсветку измеряемого объекта. Кроме того, способ учитывает эллиптичность поляризации теплового излучения реальных объектов, что расширяет его применение для объектов с частично линейно-поляризованным тепловым излучением, а использование для распознавания одного поляризационного теплового изображения позволяет осуществлять идентификацию формы объектов в реальном масштабе времени, что упрощает применение и реализацию устройств на его основе, а также значительно расширяет сферу его использования в науке и технике.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тымкул, О.В. Методика определения объемной формы объектов на основе поляризационной комбинированной термограммы / О.В. Тымкул, В.М. Тымкул, О.К. Ушаков // Оптический журнал. - 1999. - Т. 66, № 2. - С. 54-59.

2. А.с. № 166727 СССР, МКИ H04N 5/33. Способ тепловизионного распознавания формы объектов / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, М.И. Ананич, П.Г. Голубев, С.Г. Смагин /СССР/. - № 4738971/09; заяв. 06.06.89; опубл. 30. 07.91, Бюл. № 28.

3. Пат. 2024212 Российская Федерация, МКИ H04N 5/33. Способ распознавания формы объектов / Гринев А.Б., Куроптева Т.Б., Тымкул В.М., заявитель и патентообладатель Си-

81

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

бирская государственная геодезическая академия. - № 4925084 /09/ 028136, заяв. 3.04.91; опубл. 10.05.94, Бюл. № 22.

4. Пат. 2099759 Российская Федерация, МКИ G02В 27/18. Тепловизионный способ распознавания формы объекта и устройство для его осуществления / Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Ананич М.И., Смагин С.Г.; заявитель и патентообладатель Сибирская государственная геодезическая академия. - № 93037825/09; заяв. 23.07.93; опубл. 20.12.97, Бюл. № 35.

5. Пат. 2141735 Российская Федерация, МКИ H04N 5/33. Способ тепловизионного распознавания формы объектов / Тымкул В.М., Тымкул О.В., Тымкул Л.В., Ананич М.И.; заявитель и патентообладатель Сибирская государственная геодезическая академия. -№ 95111870; заяв. 11.02.95; опубл. 20.11.99, Бюл. № 32.

6. Тымкул, В.М. Тепловизионная система с автоматизированным управлением поляризационной насадкой / В.М. Тымкул // Тез. докл. 3-й Междунар. конф. «Измерение, контроль и автоматизация производственных процессов» (ИКАПП-94). - Барнаул, 1994. - Т. 1, ч. 2. -

С. 13.

7. Пат. 2365876 РФ, МКИ G01B 11/24. Способ бесконтактного измерения трехмерных объектов / Ландо Я.Б.; заявитель и патентообладатель Ландо Яков Борисович. -№ 2007127463/28; заяв. 18.07.2007; опубл. 27.08.2009, Бюл. № 24.

8. Пат. 2334195 РФ, МКИ G01B 11/24. Способ бесконтактного измерения линейных размеров трехмерных объектов / Двойнишников С.В., Аникин Ю.А., Главный В.Г., Меледин В.Г.; заявитель и патентообладатель Двойнишников Сергей Владимирович, Меледин Владимир Генриевич. - № 2006118624/28; заяв. 29.05.2006; опубл. 10.12.2007, Бюл. № 26.

9. Заявка № 2010129703(042209). Способ тепловизионного распознавания формы объектов / В.М. Тымкул, Ю.А. Фесько; заявитель и патентообладатель Сибирская государственная геодезическая академия. Заявка на патент Российской Федерации. Приоритет от 15.07.2010 г.

10. Тымкул, В.М. Способ измерения температуры / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, Д.С. Шелковой, Ю.А. Фесько // Положительное решение на выдачу патента Российской Федерации на изобретение по заявке № 2009134008/28(047864) от 10.09.2009 г.

Получено 11.11.2010

© В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, О.К. Ушаков, Ю.А. Фесько, 2010

В.М. Тымкул - канд. техн. наук, профессор кафедры оптико-электронных приборов.

Л.В. Тымкул - канд. техн. наук, профессор кафедры оптических приборов.

О.К. Ушаков - канд. техн. наук, директор Института оптики и оптических технологий. Ю.А. Фесько - аспирант.

Тел.: 343-91-11.

82