Способ визуализации в цвете изображений различных диапазонов спектра электромагнитного излучения
METHOD OF VISUALIZATION IN COLOR OF IMAGES OF DIFFERENT RANGE OF ELECTROMAGNETIC RADIATION SPECTRUM

Техническое решение относится к иконике и может быть использовано при создании систем визуализации в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и других участках спектра электромагнитных излучений.
Для получения изображения кроме видимого спектра используются все возможные виды электромагнитного излучения: инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и другие диапазоны спектра.
Большинство современных систем визуализации изображений являются черно-белыми; в них при детектировании информация о спектрах элементов (пикселов) невидимого изображения теряется. В ряде случаев черно-белые изображения раскрашиваются в псевдоцвета с целью использования свойств цветового зрения для улучшения дешифрирования, но это не может компенсировать потерю информации о параметрах спектров визуализируемых изображений, характеризующих их «цвет».
В работе [Мазуров А.И., Раевская К.А. Квантовая модель низшей метрики цвета // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2013. - №1. - с. 45-47] показано, что зрительная система человека классифицирует спектры света в метамерные группы, которые воспринимаются как один цвет по трем признакам: среднему числу эффективно поглощенных в сетчатке фотонов  за время регистрации, среднему значению их суммарной энергии  и ее дисперсии D(E) (в калориметрической системе FED(E)). Спектр в невидимых участках электромагнитного излучения также можно характеризовать этими параметрами. Таким образом, если определить число фотонов и суммарную энергию каждого пиксела визуализируемого изображения, а по ним вычислить среднее значение числа фотонов  среднее значение энергии этих фотонов  и дисперсию этой энергии D(E) и далее отобразить изоморфно эти параметры каждого пиксела в спектр видимой области, то зрительная система будет воспринимать каждый пиксел изображения в цвете так же, как она воспринимает цвет видимого спектра.
Такую визуализацию в цвете невидимых изображений электромагнитного спектра можно реализовать в системах, в которых возможен счет фотонов, с определением энергии каждого фотона.
Как правило, счет фотонов можно реализовать для электромагнитных излучений, у которых энергия фотонов ε=hν больше kT. Здесь ε - энергия фотона, h - постоянная Планка, ν - частота волны фотонов, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура.
Среди способов визуализации известен способ параметрического кодирования [Блинов Н.Н., Мазуров А.И. Визуализация медицинских изображений в цвете // журнал «Медицинская техника» - 2013. - №5. - с. 1-3], основанный на регистрации числа фотонов F с каждого пиксела изображения и их суммарную энергию Е за время кадра. Этот способ выбран нами за прототип. Для реализации способа используют систему визуализации изображений, в которой детектор работает в режиме счета фотонов. Детектор, включающий канал счета фотонов и энергетический канал, регистрирует число фотонов F с каждого пиксела изображения и их суммарную энергию Е за время кадра. Посредством видеопроцессора вычисляют среднее значение числа фотонов  среднее значение энергии  и дисперсию этой энергии D(E). Далее в соответствии с системой уравнений:
а
а
a
1
2
3
где ,  - постоянные коэффициенты, масштабирующие невидимые спектры в видимую область,  - сигналы, пропорциональные яркости красного, зеленого и синего каналов; параметры и D(E) трансформируются в матрице в три сигнала: красный , зеленый  и синий  которые поступают на монитор, где формируется цветное изображение.
a
а
a
1
2
3
R
G
B
Рассмотренный способ визуализации в цвете рентгеновских изображений имеет существенные недостатки: система уравнений (1) носит неоднозначный характер, так как не раскрыта физическая сущность постоянных коэффициентов  и не указаны их численные значения; не ясно, как определяются параметры цветности красного (ε, ), зеленого (ε, ) и синего (ε, ) каналов монитора.
Эти недостатки не обеспечивают возможность визуализации цвета рентгеновских изображений изоморфно цвету зрительной системы.
Проблема, решаемая созданием заявляемого технического решения, заключается в возможности представления в цвете изображений различных диапазонов спектра электромагнитного излучения, что позволит разрабатывать системы визуализации цвета различных электромагнитных полей, в которых цвет изображения каждого пиксела на экране монитора сохраняет информацию о физических параметрах  и D(E) спектра на выходе детектора.
R
G
B
R
G
B
Для решения данной проблемы предлагается способ визуализации в цвете изображений различных диапазонов спектра электромагнитного излучения, заключающийся в том, что регистрируют число фотонов F с каждого пиксела изображения и их суммарную энергию Е за время кадра, вычисляют средние значения числа  фотонов, энергии  фотонов и дисперсии D(E) этой энергии, далее цифровые сигналы среднего числа  зарегистрированных фотонов, среднего значения их суммарной энергии  и дисперсии энергии D(E) каждого пиксела изображения нормируют к их максимальным значениям в кадре и подают в устройство матрицирования для выполнения операции матрицирования и определения цифровых видеосигналов U, U и U цветного изображения, которые затем направляют на вход монитора, при этом цифровые видеосигналы красного U, зеленого U и синего U каналов монитора определяют из системы уравнений:
R
G
B
m
m
m
max
max
max
где L, L и L - относительные яркостные коэффициенты в колориметрической системе монитора RGB, F̅, E̅, D(E) - максимальные средние значения сигналов невидимого изображения на выходе арифметического логического устройство (АЛУ) видеопроцессора,  - средние энергии световых потоков фотонов красного, зеленого и синего каналов монитора,  - средние значения их квадратов, а  и  - среднее значение энергии фотонов белого цвета монитора и квадрат указанного среднего значения, соответственно.
Кроме того, средние значения энергии фотонов световых потоков красного  зеленого  и синего  каналов и средние значения их квадратов  рассчитывают по соотношениям:
где , ,  - удельные координаты колориметрической системы монитора  причем интегрирование осуществляют по всему диапазону длин волн видимого участка спектра электромагнитного излучения.
Кроме того, среднее значение  энергии фотонов белого цвета и среднее значение квадрата  энергии фотонов белого цвета рассчитывают по формулам:
Наилучшая форма выполнения предложенного технического решения далее описывается в качестве примера со ссылкой на фиг., где изображена функциональная схема визуализации в цвете изображений различных диапазонов спектра электромагнитного излучения.
max
R
G
B
Для реализации способа используют детектор, который, как и в прототипе, работает в режиме счета фотонов. Спектральная информация аккумулируется таким детектором посредством одновременного счета фотонов и измерения их энергии. На вход детектора поступает изображение в невидимом диапазоне спектра электромагнитного излучения. Детектор, имеющий канал счета фотонов и энергетический канал, регистрирует число фотонов F с каждого пиксела изображения и их суммарную энергию Е за время кадра. Далее информация с каналов детектора поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) видеопроцессора, который преобразует видеосигнал в цифровую форму. Цифровой сигнал изображения с выхода АЦП направляется в блок цифровой памяти для сохранения кадра изображения. Для дальнейших преобразований в блоке цифровой памяти сохраняются две составляющие кадра: энергетическая (цветовая составляющая) и составляющая количества фотонов пикселя (яркостная составляющая). Покадровая выборка из блока цифровой памяти поступает в арифметико-логическое устройство (АЛУ), где вычисляются среднее значение числа эффективно поглощенных фотонов  среднее значение суммарной энергии  и третья составляющая - дисперсия D(E) этой энергии. На следующем этапе полученные средние значения нормируют к их максимальным значениям ,  и D(E)/D(E). Этап нормирования реализуется, например, посредством делителя, на выходе которого получают выходные сигналы, которые поступают на вход цифрового блока матрицирования для выполнения операции матрицирования и преобразования полученных значений в сигналы напряжения U, U и U - Выходы блока матрицирования представляют собой цифровые видеовыходы и могут быть подключены непосредственно к монитору.
Способ визуализации в цвете изображений различных диапазонов спектра электромагнитного излучения позволяет построить машинное цветовое зрение (зрение роботов) в любом диапазоне спектра электромагнитного излучения, подобное зрению человека, если энергия фотонов ε=hν > кТ.
Способ позволяет также расширить диапазон видимости телевизионных систем за пределы видимого участка спектра, например, в ультрафиолетовую область спектра, если спектральную характеристику телевизионной камере, построенной по принципу счета фотонов, не ограничивать видимым диапазоном (0,38÷0,76 мкм), а сделать чувствительной в диапазоне, например, (0,19÷0,76 мкм), визуализировав вместе видимым светом ультрафиолетовое излучение.
В отличии от вышеописанного способа все параметры в системе уравнений (2) имеют четкий физический смысл и могут быть легко определены.