СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СЛЕДОВ СВЕЧЕНИЯ ОБЪЕКТА
METHOD OF IMAGING FLUORESCENCE TRACES OF OBJECT

Изобретение относится к телевидению и может быть использовано при создании систем телевизионной визуализации и анализа изображений следов свечения объектов в процессе их наблюдения. К таким объектам относится, в частности, свечение газового разряда, следы светящихся объектов на фоне неба и др. Общими свойствами такого рода изображений является наличие темного фона, на котором располагается светлый объект, причем число пространственно совпадающих реализаций сигнала от объекта значительно меньше общего числа кадров, содержащихся в наблюдаемой видеопоследовательности. Иными словами, изображения следов свечения такого рода объектов обладают определенной динамикой при наличии локально устойчивых фрагментов, между элементами которых имеется достаточно высокая степень корреляции.
Известен способ телевизионной визуализации следов свечения газа, заключающийся в запоминании в цифровом коде одного кадра видеопоследовательности, формируемой телевизионной камерой. Данный способ описан в патенте РФ №2141250 МКИ А61. Недостатком данного способа является низкое качество получаемого изображения, обусловленное низким отношением сигнал-шум, которым характеризуются изображения видеопоследовательности.
Известен способ получения изображения с подавлением флуктуационного шума, заключающийся в усреднении цифровых кодов соответствующих отсчетов яркости всех кадров видеопоследовательности, формируемой телевизионной камерой. Данный способ описан, в частности, в литературе «Цифровое телевидение», под ред. М.И.Кривошеева. М.: Связь. 1980. С.132. Недостатком данного способа является низкое качество получаемого изображения, обусловленное низким отношением сигнал-шум из-за подавления полезного сигнала, если число его пространственно совпадающих реализаций невелико по отношению к общему числу кадров видеопоследовательности. Иными словами, теряются особенности структуры изображения следа, проявляющиеся лишь в некоторых кадрах видеопоследовательности.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ визуализации структуры газоразрядного свечения объекта в электромагнитном поле, заключающийся в получении сигнала изображения матричным фотоприемником, преобразовании его в цифровой код, запоминании и отображении на экране монитора, при этом воздействие электромагнитным полем осуществляют одиночными импульсами по окончанию гасящих импульсов кадра, а цифровые коды элементов кадра сравнивают с цифровыми кодами соответствующих элементов кадра, полученного в результате предыдущего сравнения, и формируют изображение газоразрядной структуры элементами с максимальными значениями цифровых кодов (Патент №2437132 С2, МПК G03B 41/00).
Данный способ позволяет сохранить все следы свечения объекта, проявляющиеся хотя бы в одном кадре видеопоследовательности. Однако недостатком данного способа является малая степень подавления флуктуационного шума, из-за чего отношение сигнал-шум изображения после обработки видеопоследовательности является недостаточно высоким.
Основным источником шума является шум выходного устройства преобразователя «свет-сигнал» (матрицы ПЗС), который при малоконтрастных следах свечения объекта может частично или полностью маскировать полезный сигнал.
Задачей изобретения является повышение качества изображения за счет повышения отношения сигнал-шум в получаемом изображении.
Для решения поставленной задачи в способе визуализации следов свечения объекта, заключающемся в получении сигнала изображения матричным фотоприемником, преобразовании его в цифровой код, запоминании и отображении на экране монитора, формируют видеопоследовательность кадров, которую разделяют на группы, в которых межкадровая разность меньше заданного порогового значения, вычисляют среднее значение цифровых кодов для соответствующих элементов кадров внутри групп, определяют максимальное значение из полученных средних значений цифровых кодов для соответствующих элементов кадра и формируют изображение следов свечения объекта с максимальным значением цифровых кодов.
Технический результат настоящего технического решения заключается в уменьшении уровня флуктуационного шума и повышении отношения сигнал-шум в результирующем изображении за счет того, что в каждой группе кадров видеопоследовательности (т.е. внутри практически статичных сюжетов) осуществляется формирование усредненного кадра, обладающего повышенным в 4k раз отношением сигнал-шум, где k - число кадров в группе. Результирующее изображение формируется путем максимизации цифровых кодов элементов предварительно полученных усредненных кадров.
Технические решения, содержащие совокупность признаков, идентичную признакам изобретения, не выявлены, что определяет соответствие изобретения критерию «новизна».
Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии отличительных признаков на достигаемый результат, что свидетельствует о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень». Способ осуществляется следующим образом.
В телевизионной камере - 1 оптическое изображение свечения посредством объектива переносится на матричный фотоприемник, электрический сигнал с которого поступает на стандартное устройство видеозаписи - 2, подключаемое к персональному компьютеру - 3 для преобразования в цифровой код, запоминания и отображения на экране компьютерного монитора - 4.
Получаемые цифровые коды элементов кадров видеопоследовательности обрабатывают в компьютере программным путем.
Формирование и разделение видеопоследовательности на группы осуществляют стандартными алгоритмами сортировки и поиска, последовательно сравнивая элементы каждого отдельно взятого кадра с остальными кадрами видеопоследовательности. Если межкадровая разность для двух сравниваемых кадров ниже заданного порога, то принимается решение о принадлежности сравниваемых кадров одной группе. Таким образом, в каждой из групп в результате обработки содержатся кадры с изображениями следов светящихся объектов, между элементами которых существует высокая степень корреляции. В свою очередь степень корреляции определяется задаваемым порогом для величины межкадровой разности.
Усреднение соответствующих отсчетов яркости внутри групп производится в соответствии со следующим выражением:
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>k</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><mrow><msub><mi>U</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mstyle></mrow>
j
, где k - число кадров в группе, U - цифровые коды элементов (отсчеты яркости) текущего кадра.
При максимизации производится обработка усредненных кадров внутри групп видеопоследовательности в соответствии со следующим выражением:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><msub><mrow><mi>max</mi></mrow><mi>i</mi></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>е</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><msub><mi>U</mi><mi>i</mi></msub><mo>≥</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>U</mi><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>е</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><msub><mi>U</mi><mi>i</mi></msub><mo><</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mtd></mtr></mtable></mrow><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
i
i-1
где i=1, 2…n, U - цифровые коды элементов (отсчеты яркости) текущего кадра, U - цифровые коды элементов (отсчеты яркости) кадра, полученные при предыдущем сравнении, n - число кадров видеопоследовательности.
Получаемое результирующее изображение запоминают и отображают на компьютерном мониторе.
В качестве матричного фотоприемника может быть использована практически любая ПЗС-камера стандартной чувствительности, в качестве устройства видеозаписи может быть использовано практически любое стандартное устройство, например типа Aver EZ Capture фирмы Aver Media, подключаемое к PCI-шине компьютера.
Результирующее изображение может быть получено, например, путем программирования в среде стандартного пакета MATLAB.
Таким образом, для реализации данного способа применены известные материалы и оборудование, что обуславливает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».
Практически данный способ может быть применен как для визуализации следов свечения газового разряда, так и для других светящихся объектов на темном фоне, например для визуализации следов светящихся движущихся объектов на ночном небе.
В качестве примера на фиг.2 приведены результаты обработки видеопоследовательности, содержащей светящийся объект (планета Венера) на ночном небе, по предлагаемому способу с целью формирования следа (траектории) в сравнении методом максимизации и методом усреднения. Как видно из приведенных изображений и осциллограмм сигнала вдоль выделенной строки, при обработке по предлагаемому способу достигается более высокое отношение сигнал-шум по сравнению с обработкой путем максимизации или усреднения всей видеопоследовательности. Действительно, по сравнению с максимизацией всей видеопоследовательности в предлагаемом способе достигается меньший уровень флуктуационных шумов при том же уровне полезного сигнала. В сравнении с методом усреднения предлагаемый способ обеспечивает более высокий уровень полезного сигнала при незначительно отличающемся по величине уровне флуктуационного шума.