Способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов
METHOD FOR GENERATING DIGITAL SPECTRAL ZONAL TELEVISION SIGNALS

Изобретение относится к области спектрозонального телевидения, использующего регистрацию отраженного или излученного потока в нескольких зонах оптического спектра.
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
1
2
2
3
n-1
n
По данному способу формирование спектрозональных телевизионных сигналов сводится к следующему. Из светового потока в общем спектральном интервале λ÷λоптическим 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 , , …, , 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.
Известен также 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
1
2
2
3
n−1
n
По данному способу формирование цифровых спектрозональных телевизионных сигналов осуществляется выделением оптическим путем из светового потока в общем λ÷λспектральном интервале n 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 , , …,  и формированием выходных кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующих узким зонам регистрации λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ, в соответствии с выражениями , , … , где  максимально возможное значение цифрового кода.
Недостатком данного способа является низкая контрастность получаемого изображения, а, следовательно, и низкая точность, поскольку разности цифровых кодов , , …,  имеют весьма малый размах по сравнению с динамическим диапазоном возможного изменения сигнала.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, является принятый за прототип способ, описанный в патенте №2731880 RU, МПК H04N 7/18. Способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов / Борисов Д.И, Ерганжиев Н.А., Калитов М.А., Корнышев Н.П. /Заявл. 24.07.2020; опубл. 08.09.2020. Бюл.25.
1
макс.
1
макс.
2
макс.
n
макс.
1
2
n
макс.
1
2
n
1
2
n
1
2
2
3
n−1
n
1
2
2
3
n−1
n
По данному способу формирование цифровых спектрозональных телевизионных сигналов осуществляется выделением оптическим путем из светового потока в общем λ÷λспектральном интервале n 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, и вычислением цифровых кодов , , …, , где  максимально возможное значение цифровых кодов U, U …U. При этом 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 путем нормирования в соответствии с выражениями , , … .
Недостатком данного способа является недостаточный уровень сигнала визуализирумых объектов, а, следовательно, и недостаточная контрастность получаемого изображения.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение уровня сигнала визуализируемых объектов при формировании цифровых спектрозональных телевизионных изображений.
Технический результат заявляемого технического решения выражен в повышении уровня сигнала визуализируемых объектов при формировании цифровых спектрозональных телевизионных изображений за счет введенной операции суммирования.
1
макс.
1
макс.
2
макс.
n
макс.
1
2
n
макс.
1
2
n
1
2
2
3
n−1
n
Поставленная задача достигается тем, что в способе формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, включающем 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 по формулам , , …  , а также по формулам , , … , где с - нормировочный множитель, причем с<1, выходные коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ, формируют по формулам , , …  или , , … .
1
макс.
1
макс.
2
макс.
n
макс.
1
2
n
макс.
1
2
n
1
2
2
3
n−1
n
В отличие от известного способа формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, включающего выделение оптическим путем из светового потока в общем λ÷λспектральном 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 по формулам , , …  , а также по формулам , , … , где с - нормировочный множитель, причем с<1 , согласно изобретению коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ, формируют в соответствии с выражениями , , …  или , , … .
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.
1
2
n
1
2
2
3
n−1
n
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. 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 U, U …U обрабатываются программным путем по формулам , , …  , а также по формулам , , … , где с - нормировочный множитель, причем с<1 . Выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ÷λ, λ÷λ, …, λ÷λ, формируют в соответствии с выражениями , , …  или , , … . 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÷λв общем диапазоне длин волн λ÷λ, при помощи которых формируются исходные световые потоки, преобразуемые цифровые коды U, U, U, Uпропорциональные 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). Результирующие изображения представляют собой RGB-изображения, синтезированные из трех изображений, получаемых для соответствующих трех узких зон регистрации (красной 600-700нм, зеленой 500-600нм и синей 400-500нм). Точкой 1 указан объект синего цвета, точкой 2 - зеленого цвета, точкой 3 - красного цвета. Количественное сравнение значений цифровых кодов в указанных точках 1, 2 и 3, полученных при обработке изображений, приведенных на фиг.3а, 3б, 3в и 3г, по способу-прототипу и по заявляемому способу показано на фиг.5. Приведенные значения являются усредненными по трем компонентам R, G и B.
Как видно из сравнительных диаграмм на фиг.5, заявляемый способ обеспечивает повышение уровня сигнала визуализируемых объектов на 10-20% по отношению к способу-прототипу, а, следовательно, и повышение контрастности их изображений, а также более точное соответствие исходному цвету (спектральному диапазону) визуализирумых объектов.
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++.