СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫХ ВИДЕОКАДРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF GENERATING SPECTROZONAL VIDEO FRAMES AND APPARATUS THEREFOR

Изобретение относится к оптическому приборостроению и, в частности, к способам формирования спектрозонального электронного изображения окружающего пространства и может быть использовано при создании систем обнаружения и распознавания объектов. Возможная реализация предлагаемого способа представлена в устройстве, приведенном в настоящем изобретении.
Изобретение основано на формировании оптического изображения окружающего пространства, сканировании его по спектру переменным интерференционным фильтром (ПИФ), переносе разбитого на диапазоны по спектру оптического изображения в фоточувствительную плоскость матричного фотоприемного устройства (МФПУ), которое преобразует его в электронное, оцифровке, запоминании полученных цифровых видеокадров, формировании спектрозональных кадров путем выборки из запомненных цифровых видеокадров массивов строк, соответствующих одним и тем же спектральным зонам и запоминании спектрозональных кадров с последующим их выводом на внешние устройства, например мониторы.
Впервые получение спектрозональных кадров осуществлялось пленочными фотоаппаратами. При этом либо использовался фотоаппарат с требуемым числом объективов, каждый из которых был снабжен своим спектрозональным светофильтром (фотоаппарат МКФ-6 с шестью спектральными зонами; Авиация и космонавтика №8, 1996 г.), либо фотоаппарат с одним объективом и требуемым числом единичных фильтров, через которые последовательно проходят участки оптического изображения, с последующим формированием из полученных фотокадров спектрозональных фотокадров (патент РФ №2112266 от 14.03.1996 г.). Недостатки пленочных аппаратов очевидны: сложность технологии получения спектрозональных кадров, невозможность работы в реальном масштабе времени.
С появлением линейчатых и матричных фотоприемных устройств фотопленка была заменена на эти электронные средства. Значительных результатов в получении спектрозональных видеокадров добилась канадская фирма ITRES, которая разработала ряд электронных фотоаппаратов серии Casi: инфракрасный аппарат Casi 600 со 100 спектральными зонами в диапазоне от 950 до 2450 нм и Casi 550, Casi 1500 с 288 спектральными зонами в диапазоне от 400 до 1000 нм (Сайт: www.geolidar.ru/facilities/equipment/itres/).
По используемому способу и аппаратной реализации каждой строке МФПУ присваивается определенная длина волны излучения участка на местности. Изображение участка местности разлагается по спектру дифракционной решеткой и проектируется на МФПУ. Полученный видеосигнал обрабатывается сложным алгоритмом, который формирует спектрозональные видеокадры.
Недостаток этих аппаратов - сложность технической реализации, что обуславливает их высокую стоимость, необходимость установки на подвижные носители - спутники или самолеты - для сканирования изображения подстилающей поверхности земли.
В способе получения спектрозональных видеокадров (патент США №6831688, дата патента 14.12.2004 г., МПК H04N 5/335) фоточувствительное поле МФПУ разбивают на ряд фоточувствительных полей субматриц МФПУ, световой поток от участка местности разделяют на заранее заданное число спектральных зон, каждой субматрице ставят в соответствие свою спектральную зону, изображение окружающего пространства сканируют по МФПУ для формирования изображения участка местности во множестве спектральных зон.
Недостаток способа состоит в том, что число спектральных зон и спектральный сдвиг между соседними зонами заранее предопределены, т.е. постоянны. Кроме того, для получения спектрозональных кадров требуется сканирование изображения окружающего пространства по МФПУ.
Целями предлагаемого способа являются: получение с помощью МФПУ спектрозональных видеокадров при обзоре окружающего пространства с возможностью оперативного изменения ширины спектральной полосы, времени формирования и количества спектрозональных видеокадров на одну сцену; упрощение алгоритма формирования спектрозональных видеокадров; упрощение конструкции, снижение габаритов и массы аппарата; возможность работы как с подвижных, так и с неподвижных носителей по различным сценам и объектам.
В предлагаемом способе получение спектрозональных видеокадров основано на сканировании оптического изображения переменным интерференционным фильтром, переносе разбитого по спектру оптического изображения на МФПУ цифровой телекамеры, запоминании цифровых видеокадров с последующим формированием из них спектрозональных видеокадров путем выборки массивов строк, соответствующих одним и тем же спектральным зонам. Спектральный сдвиг между соседними спектрозональными видеокадрами и их количество на одну сцену оперативно регулируют скоростью перемещения ПИФ относительно изображения выбранной для анализа сцены или объекта и определяют в соответствии с формулами:
<mrow><mi>δ</mi><mi>λ</mi><mo>=</mo><mi>V</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mi>k</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>N</mi><mi>k</mi><mo>=</mo><mi>D</mi><mo>/</mo><mi>V</mi><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mi>k</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где δλ - спектральный сдвиг между спектрозональными видеокадрами, мкм;
V - скорость перемещения ПИФ, мм/с;
S - крутизна спектральной характеристики ПИФ, мкм/мм;
Tk - длительность кадровой развертки телекамеры, с;
Nk - количество спектрозональных кадров на одну сцену;
D - спектральный диапазон ПИФ, мкм.
Крутизна спектральной характеристики ПИФ и длительность кадровой развертки телекамеры являются константами, присущими конкретным изделиям. Поэтому, как следует из (1) и (2), спектральный сдвиг между соседними спектрозональными видеокадрами и их количество зависит только от скорости ПИФ. При этом спектральный сдвиг увеличивается, а количество спектрозональных кадров уменьшается при увеличении скорости перемещения ПИФ.
Предлагаемый способ характеризуется следующими операциями:
- формируют первичное оптическое изображение окружающего пространства в плоскости ПИФ;
- разбивают с помощью ПИФ полученное оптическое изображение на спектральные зоны;
- переносят оптическое изображение, разбитое на спектральные зоны, в фоточувствительную плоскость МФПУ цифровой телекамеры;
- смещают ПИФ относительно первичного оптического изображения на величину спектральной зоны;
- запоминают полученные телекамерой цифровые видеокадры;
- формируют спектрозональные видеокадры окружающего пространства из запомненных цифровых видеокадров путем выборки из них массивов строк, соответствующих одним и тем же спектральным зонам.
Устройство получения спектрозональных видеокадров, предлагаемое для реализации предложенного способа, содержит:
- оптическую систему;
- переменный интерференционный фильтр, расположенный в фокальной плоскости оптической системы;
- привод ПИФ с блоком управления и датчиком углового положения;
- проекционную оптическую систему;
- цифровую телекамеру, МФПУ которой расположено в плоскости изображения проекционной оптической системы;
- запоминающее устройство (ЗУ) исходных видеокадров с блоком управления;
- ЗУ спектрозональных видеокадров с блоком управления.
В предлагаемом устройстве два ЗУ, в одно из которых записывают исходные видеокадры с цифровой телекамеры, а в другом формируют спектрозональные видеокадры. Каждое ЗУ снабжено блоком управления, которые осуществляют запись и чтение каждого ЗУ с выборкой видеокадров и массивов строк в соответствии с предлагаемым способом. Блок управления ЗУ спектрозональными видеокадрами по внешним командам позволяет выводить как последовательно все видеокадры, так и выборочно в интересующих спектральных зонах. ПИФ снабжен датчиком положения и приводом его перемещения.
На фиг.1 условно показана схема сканирования с помощью ПИФ оптического изображения, причем для упрощения дальнейшего описания размер ПИФ принят равным размеру оптического изображения, что совершенно необязательно для реальных устройств. Цифрами обозначены массивы строк, на которые разбиты исходные видеокадры, а буквами - спектральные зоны ПИФ. Буквы условно обозначают спектральные диапазоны зон ПИФ:
К - «красный» диапазон;
О - «оранжевый» диапазон;
Ж - «желтый» диапазон;
3 - «зеленый» диапазон;
Г - «голубой» диапазон;
С - «синий» диапазон;
Ф - «фиолетовый» диапазон.
На фиг.2 представлена структурная схема устройства формирования спектрозональных видеокадров.
Сущность изобретения поясняется следующим описанием.
Оптическая система формирует на ПИФ изображение окружающего пространства (фиг.1). ПИФ разбивает оптическое изображение на спектральные зоны от «красной» до «фиолетовой». Проекционная оптическая система переносит разбитое на спектральные зоны изображение на МФПУ цифровой телекамеры, которая преобразует его в видеокадры. В первом исходном видеокадре массив строк №1 соответствует «красной» спектральной зоне, массив строк №2 - «оранжевой» спектральной зоне и так до «фиолетовой» зоны. Сформированный первый видеокадр с разбитым на спектральные зоны видеоизображением (на фиг.1 показано семь спектральных зон) запоминают в ЗУ исходных видеокадров. Затем ПИФ смещают на величину спектральной зоны и аналогично первому формируют и запоминают второй исходной видеокадр, в котором «красная» спектральная зона будет соответствовать массиву строк №2, «оранжевая» спектральная зона - массиву строк №3, «фиолетовая» - массиву строк №1. Процесс повторяют до получения всех исходных видеокадров. Далее формируют спектрозональные видеокадры путем выборки из запомненных исходных видеокадров массивов строк с частями видеоизображения, полученными в одних и тех же спектральных зонах.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит (фиг.2) оптическую систему 1, в фокальной плоскости которой расположен ПИФ 2. Разбитое с помощью ПИФ изображение окружающего пространства на спектральные зоны проекционной системой 3 переносят на МФПУ цифровой телекамеры 4. ПИФ соединен с приводом ПИФ 5, который подключен к блоку управления приводом ПИФ 6, а датчик положения ПИФ 7 соединен с ПИФ 2.
Выход цифровой телекамеры 4 подключен к информационному входу ЗУ исходных видеокадров 8, а его информационный выход подключен к информационному входу ЗУ спектрозональных кадров 9. Адресные входы и вход «чтение/запись» ЗУ 8 подключены к соответствующим выходам блока управления ЗУ исходных кадров 10. Управляющий вход блока 10 подключен к выходу датчика положения ПИФ 7. Адресные входы и вход «чтение/запись» ЗУ 9 подключены к соответствующим выходам блока управления ЗУ спектрозональных видеокадров 11. Сигнальный вход блока 11 подключен к сигнальному выходу блока 10.
Внешние устройства (не показаны на фиг.2) подключены к блоку управления приводом ПИФ 6 и блоку управления ЗУ спектрозональных видеокадров 11 и управляют скоростью ПИФ и режимом вывода спектрозональных кадров соответственно.
Устройство работает следующим образом.
Оптическая система 1 в своей фокальной плоскости формирует изображение окружающего пространства. ПИФ 2 разбивает полученное изображение по спектральным зонам. Разбитое по спектральным зонам изображение проекционной оптической системой 3 переносится на фоточувствительную поверхность МФПУ цифровой телекамеры 4. Видеокадр цифрового видеоизображения, сформированный телекамерой 4, запоминается по сигналу «Запись» с блока 10 в ЗУ исходных видеокадров 8. Адреса массивов строк с видеоизображениями, полученными в одной и той же спектральной зоне, и адреса видеокадров определяются в блоке управления ЗУ исходных кадров 10 по датчику положения ПИФ 7.
Далее ПИФ приводом 6 смещается на величину спектральной зоны. Величина спектральной зоны, а следовательно, и скорость перемещения ПИФ задается внешним устройством значением сигнала «Скорость ПИФ». Формируется следующий видеокадр, который запоминается в ЗУ 8. Таким образом формируются и запоминаются все видеокадры в заданном диапазоне спектра.
После записи всех исходных видеокадров, что определяется по датчику положения ПИФ 7, блок 10 переводит ЗУ 8 в режим «Чтение», а ЗУ 9 через блок 11 - в режим «Запись», и начинает выборку из ЗУ 8 массивов строк с видеокадров, полученных в одной и той же спектральной зоне, и запись информации с них в ЗУ 9, формируя первый спектрозональный видеокадр. Таким же образом формируется второй и все последующие спектрозональные видеокадры. После записи всех спектрозональных видеокадров ЗУ 9 готово к передаче их по команде «Режим вывода спектрозональных видеокадров» на внешние устройства. Блок управления ЗУ 11 обеспечивает вывод спектрозональных видеокадров в любой последовательности и с любым составом в зависимости от содержания команды «Режим вывода спектрозональных видеокадров».