СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ И ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ РАЗНОСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
METHOD OF REGISTRATION AND FORMATION OF SIGNALS OF MULTI-SPECTRAL IMAGES

Настоящее изобретение относится к области спектрозонального телевидения, основанного на регистрации и преобразовании лучистого (светового) потока в нескольких зонах ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра в сигналы разноспектральных изображений. Формируемые сигналы разноспектральных изображений могут быть использованы для решения задач обнаружения и селекции, измерения параметров или распознавания объектов и найти применения в системах визуального или автоматического анализа видеоинформации.
i
1
n
Спектральная селекция объектов базируется на возможности регистрации отраженного или излученного лучистого потока в нескольких спектральных зонах Δλ, которые выбираются внутри широкого спектрального участка от λ до λ. При этом, в зависимости от решаемой задачи, число зон регистрации может быть равным величине m=2,3,4, …, L.
В наиболее полном виде выбор рабочих зон регистрации лучистого потока и общие вопросы теории спектрозональных систем были освящены в работах: Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С. Спектральная селекция оптических изображений. Ташкент: Фан, 1987, 108 с. [1], Квиринг Г.Ю. Прикладное телевидение. / М.: МЭИС, 1989, 90 с. [2] и др.
Вопросы, связанные с дифференциальными методами регистрации лучистого потока нашли свое отражение в работах авторов: Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. - М.: Университетская книга; Логос, 2007. - 192 с. [3], Сагдуллаев В.Ю. Выбор зон регистрации лучистого потока в системах многоракурсного телевидения / Т-СОММ-Телекоммуникации и транспорт. - М., 2012 - №9. - С. 120-121 [4], 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 [5] и др.
Фактически перечисленные работы в целом затрагивают вопросы спектральной селекции объектов при дифференциальном методе регистрации лучистости, то есть в относительно «узких» спектральных зонах ультрафиолетовой (УФ), видимой (ВИ) и ближней инфракрасной (ИК) областей спектра, что требует обеспечения высокой чувствительности телевизионных (ТВ) датчиков (матричных фотоприемников) при низкой отражательной способности объектов.
Кроме вышесказанного следует отметить, что при использовании дифференциального метода регистрации лучистого (светового) потока возможна малая контрастность формируемых спектрозональных изображений. Она по своей природе может быть обусловлена различными причинами:
- слабой отражательной способностью объекта и фона;
- близкими между собой спектральными характеристиками объекта и фона;
- выбором не оптимальных спектральных участков (зон) регистрации лучистого потока для данного сочетания класса целевых наземных объектов и фона;
- слабой освещенностью объекта и фона;
- плохой прозрачностью дистанционной среды;
- неблагоприятными условиями наблюдения объектов и др.
1
n
Таким образом, в таких случаях использование в системах спектрозонального телевидения нескольких «узких» зонах регистрации лучистого (светового) потока внутри широкого спектрального участка с длинами волн от λ до λ, включающего УФ, ВИ или ИК области спектра, на основе дифференциального метода регистрации лучистого (светового) потока оказывается не эффективным.
В последнее время известны работы, связанные с возможностью использования интегральных методов регистрации лучистого (светового) потока в различных спектральных участках оптического спектра. Среди них, например, Сагдуллаев Ю.С., Ковин С.Д., Сагдуллаев Т.Ю., Смирнов А.И. Информационно-измерительные системы телевидения М.: "Спутник+", 2013. - 199 с., [6]. По патенту РФ №2604898 на «Способ формирования спектрозональных видеосигналов» / Ковин С.Д., Сагдуллаев Ю.С. - приоритет 26.06.2015 г. Опубл. 20.12.2016 г. Бюл. №35 [7] рассматривается способ формирования спектрозональных видеосигналов с использованием переменной ширины зоны регистрации, где используется интегрально-дифференциальный метод регистрации лучистого (светового) потока. Данный способ обеспечивает достижение высокого значения отношения сигнал/шум путем регистрации входного лучистого потока в широких зонах спектрального участка с формированием дополнительных спектрозональных сигналов в узких зонах регистрации лучистого потока, путем обработки (вычитания) интегральных сигналов между собой.
В качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения по совокупности признаков и операций над сигналами принят способ формирования и отображения спектрозональных телевизионных сигналов по патенту РФ на изобретение №2374783 «Способ формирования и отображения спектрозональных телевизионных сигналов» / Вилкова Н.Н., Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С. опубл. 27.11.2009 г. Бюл. 33 [8]. В этом патенте рассматривается способ формирования и отображения спектрозональных ТВ сигналов, 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 оптического спектра.
1
n
1
2
1
2
1
n
1
2
Формирование спектрозональных ТВ сигналов происходит по двухканальной оптической схеме, где процесс регистрации отраженного лучистого (светового) или излученного потока осуществляют внутри всего широкого спектрального участка с длиной волны от λ до λ, для чего, после расщепления входного лучистого потока на два одинаковых потока F(λ), его пропускают через широкополосные оптические фильтры (ОФ) 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 оптического фильтра охватывают весь спектральный участок с длиной волны от λ до λ и удовлетворяют условию Ф(λ)=1-Ф(λ).
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 от λ до λ, то есть совместить преимущества интегрального и дифференциального метода регистрации лучистого потока.
Технический результат - обеспечение высокого отношения сигнал/шум путем регистрации входного лучистого потока в широком спектральном участке с формированием дополнительных спектрозональных сигналов в узких зонах регистрации лучистого потока для повышения достоверности селекции объектов контроля.
1
n
1
2
1
2
1
n
1
2
R
1
2
ф1
ф2
1
n
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа формирования и отображения спектрозональных ТВ сигналов, включающего регистрацию лучистого (светового) потока F(λ), внутри широкого спектрального интервала от λ до λ, его расщеплении на два идентичных потока F(λ) и их пропускании через два широкополосных оптических фильтра ОФ и ОФ, спектральная характеристика которых, взаимно противоположна и удовлетворяет условию Ф(λ)=1-Ф(λ) в интервале длин волн от λ до λ, преобразовании лучистых (световых) потоков с использованием матричных фотоприемников и формировании двух спектрозональных видеосигналов U(λ) и U(λ), получение результирующего сигнала U(λ) на основе выполнения операции деления спектрозональных видеосигналов между собой, для чего, после расщепления входного лучистого потока на два одинаковых потока F(λ), его пропускают через широкополосные оптические фильтры ОФ и ОФ спектральная характеристика первого ОФ τ(λ) и второго ОФ τ(λ) охватывает спектральный участок от λ до λ и удовлетворяет условию
c1
с2
1
n
i
1
n
i
1
n
затем осуществляют преобразование лучистых (световых) потоков и формирование двух интегральных сигналов U(t) и U(t) в спектральном участке от λ до λ, после чего используя эти сигналы, осуществляют нахождение значений сигналов для (λ-λ) и (λ-λ) - зон регистрации лучистого (светового) потока в спектральном участке от λ до λ путем обработки сигналов на основе решения системы линейных уравнений с двумя неизвестными
ф11
ф12
ф21
2
ф22
i
1
где для первого ОФ значения τ(λ) и τ(λ) принимаются равными единице, согласно (1), а для второго ОФ значения τ(λ) составляют величину 1-ξ(λ), а значения τ(λ) принимаются равным единице, согласно (2), после чего определяют значение амплитуды сигнала изображения для первой зоны регистрации (λ-λ) согласно выражению
n
i
а также определяют амплитуду сигнала изображения для второй зоны регистрации (λ-λ) согласно выражению
где определитель системы линейных уравнений с двумя неизвестными вычисляют согласно выражению
после чего обрабатывают полученные сигналы разноспектральных изображений, осуществляют их запоминание, затем подают их на входы цветного видеоконтрольного устройства для визуального анализа информации, а также осуществляют автоматическую селекцию заданных объектов на основе распределения амплитудных значений сигналов разноспектральных изображений в формируемых зонах регистрации лучистого потока.
1
n
1
2
1
n
c1
c2
1
2
ф1
ф2
Для достижения указанного результата предлагается Способ регистрации и формирования сигналов разноспектральных изображений, включающий регистрацию лучистого (светового) потока F(λ) в широком спектральном участке от λ до λ, его расщепление на два идентичных потока F(λ), пропускание их через два широкополосных оптических фильтра OФ и ОФ спектральная характеристика которых охватывает спектральный участок от λ до λ, преобразование лучистых потоков с использованием матричных фотоприемников с формированием двух интегральных сигналов изображений U(t) и U(t), в котором после расщепления входного лучистого потока на два одинаковых потока F(λ), его пропускают через широкополосные оптические фильтры ОФ и ОФ спектральная характеристика которых для первого ОФ τ(λ) и второго ОФ τ(λ) удовлетворяет условию
c1
c2
1
n
i
1
n
i
1
n
затем осуществляют преобразование лучистых (световых) потоков и формирование двух интегральных сигналов изображений U(t) и U(t) в спектральном участке от λ до λ, после чего используя эти сигналы, осуществляют нахождение значений сигналов для (λ-λ) и (λ-λ) - зоны регистрации лучистого потока в спектральном участке от λ до λ путем обработки сигналов на основе решения системы линейных уравнений с двумя неизвестными
11
ф12
ф21
2
ф22
i
1
где для первого ОФ значения τф(λ) и τ(λ) принимаются равными единице, согласно (1), а для второго ОФ значения τ(λ) составляют величину 1-ξ(λ), а значения τ(λ) принимаются равным единице, согласно (2), после чего определяют значение амплитуды сигнала изображения для первой зоны регистрации (λ-λ) согласно выражению
n
i
а также определяют амплитуду сигнала изображения для второй зоны регистрации (λ-λ) согласно выражению
где определитель системы линейных уравнений с двумя неизвестными вычисляют согласно
после чего обрабатывают полученные сигналы разноспектральных изображений, осуществляют их запоминание, затем подают их на входы цветного видеоконтрольного устройства для визуального анализа информации, а также осуществляют автоматическую селекцию заданных объектов на основе распределения амплитудных значений сигналов разноспектральных изображений в формируемых зонах регистрации лучистого потока.
1
n
Пусть задан спектральный участок с длиной волны от λ до λ. Спектральная характеристика (СХ) матричного фотоприемника (МФП) нормирована в этом участке длин волн и удовлетворяет условию
n
1
где ξ(λ) - спектральный коэффициент, учитывающий форму спектральной характеристики МФП. При значениях ξ(λ)=0 в заданном спектральном участке (λ-λ) выражение (7) отображает МФП с прямоугольной СХ.
1
n
В зависимости от необходимо числа формируемых спектрозональных видеосигналов в спектральном участке от λ до λ. ТВ камера может быть построена по двухканальной или многоканальной оптической схеме расщепления входного лучистого потока на несколько идентичных потоков.
n
1
i
В последнем случае спектральный участок (λ-λ) разбивают на отдельные зоны регистрации Δλ где необходимо определять значения сигналов изображений, например, в следующем виде
2
3
m
При осуществлении интегрального метода регистрации лучистого (светового) потока ключевым местом является выбор СХ ОФ. В принципе форма СХ ОФ может быть прямоугольной, треугольной или иметь любую форму. При этом необходимо выбрать средние значения коэффициентов ξ(λ), ξ(λ), …, ξ(λ), учитывающих форму СХ ОФ для выбираемых зон регистрации лучистого (светового) потока в «широких» спектральных участках УФ, ВИ и ИК областей спектра.
n
1
Задают требования к СХ 1,2,3, …, m-широкополосного ОФ в спектральном участке (λ-λ)
i
1
n
n
1
В отличие от выражения (3) для нахождения значения сигнала в Δλ - зоне регистрации спектрального участка с длиной волны от λ до λ составим систему линейных уравнений с двумя неизвестными. При этом будем учитывать СХ 1,2,3, …, m-широкополосного ОФ в спектральном участке (λ-λ) согласно выражению (9). СХ МФП удовлетворяет выражению (7).
Линейные уравнения будут иметь следующий вид:
Определитель для i-системы линейных уравнений с двумя неизвестными находится согласно выражению
n
1
Процедура вычисления значения сигналов в зонах регистрации лучистого (светового) потока (8) спектрального участка (λ-λ) сводится к следующему:
2
1
1. Решая систему линейных уравнений (10), определим значение амплитуды сигнала изображения для зоны регистрации (λ-λ)
3
1
2. Решая систему линейных уравнений (11), определим значение амплитуды сигнала изображения для зоны регистрации (λ-λ)
4
1
3. Решая систему линейных уравнений (12), определим значение амплитуды сигнала изображения для зоны регистрации (λ-λ)
i
1
4. Решая каждую последующую i-систему линейных уравнений определим значение амплитуды сигнала изображения для зоны регистрации (λ-λ)
n
n-1
5. Решая систему линейных уравнений (13), определим значение амплитуды сигнала изображения для последней зоны регистрации (λ-λ)
n
1
Введем обозначения для i-зон регистрации лучистого (светового) потока в спектральном участке (λ-λ) в виде
1
2
m
Тогда амплитудные значения сигналов разноспектральных изображений для i-зоны регистрации лучистого (светового) потока Δλ, Δλ, …, Δλ можно определить, используя операцию вычитания сигналов
21
Число операций, необходимых для нахождения значений сигналов разноспектральных изображений для m-зон регистрации лучистого (светового) потока при данном методе гораздо ниже по сравнению с использованием известных методов вычисления неизвестных. Нахождение сигналов при числе решении линейных уравнений с 20 неизвестными по теореме Крамера необходимо приблизительно 10 умножений и делений. При решении системы линейных уравнений с использованием метода исключения, число операций также велико. Для нахождения 20 неизвестных необходимо 3270 арифметических и логических операций.
Спектрозональная ТВ система, реализующая предлагаемый способ регистрации и формирования сигналов разноспектральных изображений, 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 новых сигналов разноспектральных изображений;
9 - блок памяти и обработки сигналов;
10 - коммутатор и инвентор сигналов;
11 - цветное видеоконтрольное устройство;
12 - блок управления;
13 - блок автоматической селекции заданных объектов.
1
2
1
2
c1
c2
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 интегральных сигналов U(t) и U(t). Указанные импульсы с синхрогенератора поступают также на ходы 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
c1
с2
1
2
ОФ 3 и 3 для первого и второго канала формирования интегральных сигналов U(t) и U(t) 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 принятого принципа (механическим - за счет замены самих ОФ с другими спектральными характеристиками 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 интегральный сигнал изображения поступает на свой вход усилителя - формирователя 7 и 7, где происходят операции усиления, раздельной обработки интегральных сигналов изображений и их смешивания со строчными и кадровыми импульсами.
1
2
С выхода блока 7 и 7 сигналы поступают на блок обработки и формирования сигналов разноспектральных изображений 8, с выхода которого они поступают на входы блока памяти и обработки сигналов 9. Далее сформированные сигналы с выходов блока 9, через коммутатор и инвертор полярности сигналов 10 поступают на входы RGB цветного видеоконтрольного устройства (ВКУ) 11. Кроме того сформированные сигналы с выходов блока 9 поступают на входы блока 13 для автоматической селекции объектов по амплитудному распределению сигналов в сформированных зонах регистрации лучистого потока. С блока управления 12 поступают управляющие сигналы на блок 4 для смены ОФ, на блоки 9 и 10 для управления обработкой и коммутацией сигналов на входы ВКУ 11.
фi
2
3
m
i
На фиг. 2, для примера, показаны один из вариантов СХ широкополосных ОФ, с коэффициентами прозрачности τ(λ) в которых значения коэффициентов ξ(λ)=ξ(λ)=…=ξ(λ), при этом 0<ξ(λ)<1.
1
i
При использовании двухканальной оптической схемы расщепления входного лучистого потока и интегральном методе регистрации лучистого (светового) потока могут быть две основные ситуации (табл. 4) с использованием ОФ и ОФ, которые имеют определенные СХ.
1
2
i
Так, например, в одном случае СХ первого OФ и второго ОФ может быть постоянной, во втором случае СХ второго ОФ может последовательно меняться (механическим или электронным путем).
1
n
ф11
ф12
ф21
ф22
1
i
Примем, для примера, что СХ дистанционной среды, объектива и МФП в заданном интервале длин волн равномерны в спектральном интервале длин волн от λ до λ и условно равны единице. Тогда значение коэффициентов τ, τ и τ, τ будет определяться ходом спектральных характеристик ОФ и ОФ (табл. 4, ситуация 1 и 2).
1
2
1
2
3
2
4
5
4
m
При использовании многоканальной схемы входного звена системы спектрозонального телевидения может быть сформированы большое число сигналов изображений. Общее число спектрозональных сигналов, которые можно получить при интегральном методе регистрации лучистого (светового) показано в табл. 5. Оно включает число основных сигналов разноспектральных изображений для зон регистрации Δλ=(λ-λ), Δλ=(λ-λ), Δλ=(λ-λ), …, Δλ, получаемых за счет решения системы линейных уравнений с двумя неизвестными и определяется выражениями (15-19) и (21).
n
1
1
3
1
5
2
4
m
1
4
m
Кроме этого можно получить дополнительные сигналы спектрозональных (разноспектральных) изображений, например, путем суммирования сигналов отдельных зон регистрации внутри спектрального участка (Δλ-λ), например, для зон регистрации Δλ+Δλ, Δλ+Δλ, Δλ+Δλ, …, Δλ, Δλ+Δλ+Δλ т.д.
1
2
3
m
Общее число сигналов спектрозональных изображений будет представлять собой сигналы отдельных зон регистрации Δλ, Δλ, Δλ, …, Δλ и их возможные комбинации (число комбинаций зависит от числа исходных интегральных сигналов). Общее число составит величину, согласно выражению
где m-число исходных интегральных сигналов.
1
2
3
1
2
2
3
1
3
1
2
3
Рассмотрим пример, когда число интегральных сигналов равно m=3 Число основных сигналов разноспектральных изображений равно трем и будет для зон регистрации Δλ, Δλ, Δλ. Число дополнительных сигналов разноспектральных изображений равно четырем и будет для зон регистрации Δλ+Δλ, Δλ+Δλ, Δλ+Δλ, Δλ+Δλ+Δλ.
Источники
1. Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С. Спектральная селекция оптических изображений. Ташкент: Фан, 1987, 108 с.
2. Квиринг Г.Ю. Прикладное телевидение. / М.: МЭИС, 1989, 90 с.
3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. - М.: Университетская книга; Логос, 2007. - 192 с.
4. Сагдуллаев В.Ю. Выбор зон регистрации лучистого потока в системах многоракурсного телевидения / Т-СОММ-Телекоммуникации и транспорт. - М., 2012-№9. - С. 120-121.
5. 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.
6. Сагдуллаев Ю.С, Ковин С.Д., Сагдуллаев Т.Ю., Смирнов А.И. Информационно-измерительные системы телевидения М.: "Спутник+", 2013. - 199 с.
7. Патент РФ №2604898. Способ формирования спектрозональных видеосигналов / Ковин С.Д., Сагдуллаев Ю.С. - приоритет 26.06.2015 г. Опубл. 20.12.2016 г. Бюл.№35.
8. Патент РФ на изобретение №2374783 «Способ формирования и отображения спектрозональных телевизионных сигналов» / Вилкова Н.Н., Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С. опубл. 27.11.2009 г. Бюл. 33.