Способ обнаружения малоразмерных объектов
METHOD OF DETECTING SMALL OBJECTS

Изобретение относится к способам обработки телевизионных видеосигналов с целью обнаружения малоразмерных объектов в видимом диапазоне длин волн в изменяющейся, сложной фоно-помеховой обстановке и предназначено для повышения дальности обнаружения малоразмерных объектов путем внутрикадровой обработки, компенсирующей влияние фоновой помехи, находящейся перед малоразмерными объектами.
Известен компенсационный метод подавления помех в оптико-электронных приборах в ИК диапазоне, основанный на использовании различия спектральных и пространственных характеристик наблюдаемого (обнаруживаемого) объекта и помехи (Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. «Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах». - М.: Радио и Связь, 1981 г. - 180 с., глава 5, параграф 5.2, стр. 97).
Указанный метод не позволяет обнаруживать малоразмерные объекты в видимом диапазоне длин волн и имеет недостаточную точность компенсации и малое пространственное разрешение, поскольку предполагает использование отдельных фотопреобразователей в ИК диапазоне, а также компенсирует фон, расположенный за объектами.
Известны другие методы нахождения малоразмерных объектов на изображениях (Филатов Г.П., Поляков С.А. «О проблемах и методах нахождения малоразмерных объектов на изображениях» // «Фундаментальные исследования», №8 (часть 2), 2013 г. с. 318-322). Они требуют наличия равномерного фона за объектами, на котором расположены достаточно контрастные объекты, а при произвольном фоне могут применяться только для подвижных объектов и основаны на межкадровой обработке видеопотока.
Недостатком рассмотренных методов является влияние динамического фона, расположенного перед объектами, уменьшающее дальность обнаружения малоразмерных объектов, особенно статичных или малоподвижных.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ преобразования изображения, описанный в патенте РФ RU 2187904, H04N 5/14 (опубл. 20.08.2002 г.), включающий проецирование изображения объекта на многоэлементный фотопреобразователь для формирования видеосигнала последовательности кадров, их межкадровой разности, ее накопление из не менее двух выбранных последовательных кадров изображения, обработку межкадровой разности для получения выходного сигнала и его информационного отображения.
Признаки предлагаемого способа, совпадающие с признаками прототипа:
- изображения объектов (в том числе малоразмерных) проецируются на многоэлементный фотопреобразователь;
- фотопреобразователь формирует видеосигнал последовательных кадров.
Недостатком прототипа является влияние динамически меняющегося фона, расположенного перед объектами на дальность обнаружения малоразмерных объектов.
Технический результат заявляемого способа направлен на:
- снижение влияния динамически меняющегося фона на обнаружение малоразмерных объектов за счет внутрикадровой спектрально-пространственной фильтрации;
- увеличение дальности обнаружения малоразмерных объектов путем снижения влияния динамически меняющегося фона, расположенного перед малоразмерными объектами.
Это достигается тем, что изображения малоразмерных объектов проецируют на многоэлементный фотопреобразователь, формируют одновременно видеосигналы составляющих кадр изображения в трех спектральных полосах синего, зеленого и красного цветов, сигналы синей и красной составляющих кадра фильтруют фильтрами Гаусса для устранения импульсных помех и точечных объектов, умножают на поправочный коэффициент с целью коррекции спектральной чувствительности фотопреобразователя, затем из сигнала зеленой составляющей кадра вычитают сигнал синей составляющей, результат нормализуют по размаху и вычитают из сигнала красной составляющей кадра, полученный результат также нормализуют по размаху и сравнивают распределение яркости в проекциях изображений малоразмерных объектов с распределением яркости, определяемой законом Ламберта в моделях проекций малоразмерных объектов, и, в случае их подобия по заданному критерию, принимают решение о наличии малоразмерных объектов в кадре, а при отсутствии подобия - подвергают анализу следующий кадр из последовательности.
Отметим тот факт, что составляющие синего, зеленого и красного цветов могут содержать составляющую ближнего инфракрасного диапазона, что дает возможность в результате обработки изображения дополнительно увеличить дальность обнаружения.
Заявленный способ обнаружения малоразмерных объектов проиллюстрирован чертежом на фиг. 1, где представлена блок-схема алгоритма способа, и цифрами обозначено: 1 - фотопреобразователь; 2, 3 - блоки фильтров Гаусса; 4, 5, 6 - блоки умножения на коэффициент; 7, 8 - блоки вычитания; 9, 10 - блоки нормализации размаха; 11 - блок моделей проекций малоразмерных объектов; 12 - блок сравнения с моделями по критерию подобия; 13 - блок формирования сигнала обнаружения.
Сущность способа состоит в том, что изображения всех объектов, попавших в поле зрения оптической системы, проецируются на многоэлементный фотопреобразователь 1, который формирует видеосигналы последовательности кадров, каждый из которых одномоментно включает составляющие в трех спектральных полосах синего, зеленого и красного цветов. Сигналы синей и красной составляющих кадра фильтруют блоками 2, 3 фильтров Гаусса и умножают на поправочный коэффициент в блоках умножения 4, 5; затем из сигнала зеленой составляющей кадра вычитают в блоке 7 сигнал синей составляющей кадра; результат нормализуют по размаху в блоке 9 и вычитают из сигнала красной составляющей в блоке 8; результат нормализуют по размаху в блоке 10 и сравнивают в блоке 12 распределение яркости в проекциях изображений с моделями проекций малоразмерных объектов. В случае их подобия по заданному критерию, принимают решение в блоке 13 о наличии малоразмерных объектов в кадре, а в случае отсутствия подобия - переходят к анализу следующего кадра из последовательности. В результате достигается увеличение дальности обнаружения малоразмерных объектов за счет уменьшения влияния динамически меняющегося фона, расположенного перед объектами.
Уточним физическую сущность предлагаемого метода.
1). Метод применим к обнаружению малоразмерных, а не точечных объектов.
Точечные объекты имеют своей проекцией на элементы фотопреобразователя (пиксели) кружок рассеяния размером не более 3×3 пикселя с распределением яркости в кружке по закону Гаусса.
Проекция же малоразмерного объекта имеет размер не менее 9×9 пикселей, а распределение в ней яркости подчинено закону Ламберта при условии, что объекты освещаются рассеянным светом и не содержат участков поверхности, обращенных к фотопреобразователю с направленным зеркальным отражением или собственным излучением. На практике такая световая обстановка обычна как днем, так и ночью.
Если перед фотопреобразователем не установлен оптический фильтр, отсекающий излучение с длинами волн ближнего инфракрасного диапазона, то все цветовые составляющие кадра будут иметь составляющую этого диапазона по причине прозрачности для него фильтров синей, зеленой и красной составляющих, так как они изготовлены из органических материалов.
2). С целью снижения вычислительных затрат анализ составляющих кадра изображений может быть выполнен только в пределах окон интереса, то есть тех областей наблюдаемого пространства, где появление малоразмерных объектов наиболее вероятно, что снижает влияние динамического фона.
3). Спектральная чувствительность кремниевого фотопреобразователя видимого диапазона лежит в пределах от 410 нм до 700 нм длин волн, четвертая степень отношения этих величин равна 8, следовательно, рассеяние света атмосферой (по закону Рэлея), микроструктурой поверхности объектов наблюдения, туманом, снегом и т.п. на длине волны 410 нм будет в 8 раз больше, чем на длине волны 700 нм. На практике эта разница меньше, но остается существенной. В зеленой составляющей эффект такой же.
Это позволяет утверждать, что электромагнитные волны видимого диапазона при взаимодействии с объектами, находящимися в поле зрения многоэлементного фотопреобразователя и расположенными ближе к нему, чем малоразмерные объекты, которые необходимо обнаружить, будут рассеиваться в большей мере в синей и зеленой составляющих, нежели в красной, и тем более в ближней инфракрасной составляющих. Эффект этого рассеяния заключается в снижении контраста малоразмерных объектов относительно фона, находящегося за ними. Это происходит потому, что рассеянный свет при проецировании складывается по всей глубине наблюдения, является аддитивной составляющей в видеосигнале анализируемого кадра и определяет распределение яркости в проекции наблюдаемого пространства на фотопреобразователь. Такое снижение контраста приводит к уменьшению дальности обнаружения малоразмерных объектов. Поэтому для достижения заявленного технического эффекта и производится компенсация этого мешающего эффекта рассеяния света на частицах тумана, снега, дыма и т.п. за счет вычитания обработанных сигналов синей и зеленой составляющих из красной.
Иными словами, в предлагаемом способе фактически выполняется спектрально-пространственная внутрикадровая фильтрация проецируемого на фотопреобразователь изображения.
Описанная обработка изображения и приводит к увеличению дальности обнаружения малоразмерных объектов, то есть технический результат заявленного способа достигается.
Способ может быть реализован на распространенных компьютерных средствах, а именно: персональных или промышленных компьютерах, ноутбуках, планшетах, смартфонах и т.п.
Компьютерная программа, реализующая блок - схему способа, относительно проста и состоит из известных и применяемых при обработке изображений операций.