СПОСОБ ВИЗУАЛЬНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ТЕЛЕВИЗИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ДАЛЬНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА И УСТРОЙСТВО, РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ЭТОТ СПОСОБ Российский патент 2004 года по МПК H04N5/33 H04N7/18 H04N9/07 

Предлагаемое изобретение относится к телевизионным системам, а более конкретно - к телевизионным системам с камерами дальнего инфракрасного (ИК) диапазона (далее - к тепловизорам).

Существующие телевизионные камеры дальнего ИК-диапазона бывают двух типов:

- монохромные тепловизоры, в которых информацию о мощности ИК-излучения объекта преобразовывают в яркость изображения объекта;

- псевдоцветные тепловизоры [1], в которых видеосигнал от монохромной ТВ камеры подвергается обработке, сопровождающейся присвоением условного цвета определенному диапазону уровней (слою) видеосигнала. При этом информацию о мощности излучения несет размах цветовой составляющей определенного диапазона, т.е. мощность излучении N_u:

где A₀ - полная амплитуда видеосигнала каждого диапазона;

n - номер диапазона;

К - коэффициент преобразования;

U_с - размах видеосигнала в данном цветовом диапазоне.

Изделия первого типа используются в военной технике (прицелы, системы обнаружения и опознавания и т.д.). Изделия второго типа, принятые за прототип, часто применяются в медицине, научных исследованиях [1], в промышленности для анализа состояния различных объектов и систем [2].

Псевдоцветные тепловизоры используют то свойство зрительного аппарата оператора, благодаря которому количество различимых цветовых оттенков значительно превышает количество различимых градаций яркости.

Известно, что в монохромных тепловизорах изображение принципиально отличается от привычного телевизионного изображения, полученного в видимом или ближнем ИК-диапазонах [1], поэтому оператор в течение длительного времени обучается дешифрированию тепловизионного изображения и, несмотря на это, время его реакции на появление в кадре тепловизора нового объекта значительно превышает аналогичный параметр для обычных ТВ систем. Известна попытка решить эту проблему путем создания двухканальной ТВ системы, в которой на тепловизионное изображение накладывается изображение от обычного ТВ канала, однако существенного облегчения дешифрирования при этом не достигается, особенно при необходимости быстрого принятия решений в реальном масштабе времени.

Псевдоцветные тепловизоры, упомянутые выше, еще более сложны в использовании для оператора из-за перегрузки изображения цветными деталями, цвет которых строится искусственно и всегда далек от привычного, т.к. в псевдоцветных тепловизорах изменение мощности излучения объекта воспринимается как изменение яркости (внутри цветового диапазона), и как изменение цвета (при переходе из одного диапазона в другой). Таким образом, изменение спектральных характеристик излучения объектов в дальнем ИК-диапазоне такими системами не фиксируются (вернее фиксируются только энергетически), а фиксируется только принимаемая мощность излучения объекта, т.е. изображения двух объектов с одинаковой температурой в зависимости от их удаленности могут иметь различные цвета на телевизионном изображении. Это окончательно затрудняет оценку и анализ объектов по их телевизионным изображениям.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение возможности оценки и анализа объектов (точнее спектральных и яркостных характеристик объектов) по их телевизионным изображениям в дальнем ИК-диапазоне, при этом по возможности обеспечить психологически привычное восприятие телевизионного изображения объектов.

Поставленная задача может быть решена сочетанием методов, используемых в системах цветного телевидения с привлечением средств ЭВТ (электронно-вычислительной техники), применяемых для автоматического распознавания образов.

Основа предлагаемого способа заключается в следующем: для привычного восприятия цветного тепловизионного изображения объекта, снимаемого в дальнем ИК-диапазоне, необходимо, чтобы цвет изображения знакомых объектов совпадал. Для этого достаточно нескольких опорных точек на характеристике преобразования “лучистая энергия/видеосигнал”. Например, цвет лица человека, песка, травы, цвет неба или чистого снега привычны для оператора.

Если теперь при машинной обработке видеосигнала задать программно требование соответствия цветовых координат опорных точек определенным их температурам с учетом времени суток, координат на местности, сезону и т.п., то цветное синтезированное тепловизионное изображение опорных объектов натурной сцены в дальнем ИК-диапазоне будет иметь соотношение цветов, приближающееся к привычному.

Тепловизор, реализующий предлагаемый способ, может быть создан с использованием принципа построения передающей камеры цветного телевидения [2, 3, 4], где входящий энергетический поток от сцены расщепляется на несколько спектрозональных потоков, из которых строятся соответствующие спектрозональные изображения. Далее, в качестве примера рассмотрим построение тепловизора, содержащего простейший спецвычислитель, обеспечивающий реализацию предлагаемого способа.

На фиг.1 приведены его спектральные характеристики спектрозональных каналов. Следует отметить некоторые основные особенности этих спектральных характеристик:

- так как опорные точки (-20 и 36,6°С) сдвинуты в длинноволновую часть спектра, и очевидна необходимость наличия сигналов для этих точек во всех спектроделенных каналах, длинноволновые границы всех трех каналов совмещены на длинноволновой границе спектрального диапазона;

- для обеспечения идентичности математического аппарата транспонирования спектральных характеристик в область видимого спектра коротковолновые границы всех трех каналов совмещены на коротковолновой границе спектрального диапазона;

- длина волны максимума спектральной характеристики длинноволнового канала должна совпадать с длиной волны первой опорной точки (-20°С);

- длина волны максимума спектральной характеристики средневолнового канала должна совпадать с длиной волны второй опорной точки (+36,6°С);

- коэффициенты электронного матрицирования, необходимого для получения на выходе стандартных сигналов R, G, В, могут быть вычислены при условии правильной цветопередачи изображения объектов в опорных точках. Пересчет (транспонирование) сигналов спектрозональных каналов в стандартные сигналы R, G, В производят при помощи специально разрабатываемых программ.

Резюмируя, можно таким образом описать предлагаемый способ.

Способ визуального спектрального анализа телевизионного изображения дальнего инфракрасного диапазона, состоящий в спектральном разделении всего спектрального диапазона излучения объекта на три спектрозональных канала, последующем осуществлении баланса видеосигналов этих спектрозональных каналов, заключающийся в том, что производят транспонирование дальнего ИК-спектра в видимый диапазон, для чего фиксацию видеосигналов осуществляют по уровню видеосигналов, соответствующих температуре объекта -20°С (уровень “белого”), а усиление видеосигналов в каждом спектрозональном канале осуществляют таким образом, чтобы температуре 36,6°С соответствовал “телесный” цвет (цвет лица человека), причем характеристику преобразования лучистая энергия/видеосигнал в каждом канале выполняют линейной, а спектрозональные каналы имеют соответствующее перекрытие по спектру, и матрицирование обеспечивает выход на видеоконтрольное устройство сигналов R, G, В.

Одновременно следует отметить, что коротковолновые и длинноволновые границы спектральных характеристик всех трех каналов соответственно совмещены, причем длина волны максимума среднего спектрозонального канала соответствует длине волны второй опорной точки (+36,6°С), а длина волны максимума спектральной характеристики длинноволнового канала должна совпадать с длиной волны первой опорной точки (-20°С).

Устройство, реализующее предлагаемый способ, приведено на фиг.2.

Спектрозональная телевизионная камера дальнего ИК-диапазона содержит объектив 1, спектроделительный блок 2, три преобразователя (4, 5, 6) лучистая энергия/видеосигнал, причем выход объектива 1 через спектроделительный блок 2 соединен с входами первою, второго и третьего преобразователей (4, 5, 6) лучистая энергия/видеосигнал, кроме того, в состав камеры дополнительно введены спецвычислитель 7, блок 8 автоматического подбора опорных цветов и датчик 3 опорных температур, выход которого соединен со вторым входом спектроделительного блока 2, а управляющий вход соединен со вторым управляющим выходом блока 8 автоматического подбора опорных цветов, причем первый выход блока 8 автоматического подбора опорных цветов соединен с входом спецвычислителя 7, причем управляющий вход блока 8 автоматического подбора опорных цветов соединен с управляющим выходом спецвычислителя 7, а рабочие входы спецвычислителя 7 соединены с выходами первого, второго и третьего преобразователей (4, 5, 6) лучистая энергия/видеосигнал, и рабочие выходы спецвычислителя 7 являются выходами устройства (R, G, В).

Работает устройство следующим образом.

Лучистая энергия, пройдя через объектив 1, подвергается спектральному разделению на три спектрозональных канала в спектроделительном блоке 2. С выходов преобразователей 4, 5, 6 лучистая энергия/видеосигнал видеосигналы поступают на спецвычислитель 7, где производится необходимая обработка видеосигналов (фиксация, регулировка усиления) и электронное матрицирование, осуществляющее транспонирование ИК-спектра в видимый диапазон (в стандартные сигналы R, G, В). В зависимости от назначения устройства в блоке 8 автоматического подбора опорных цветов осуществляется выбор основных цветов, по сигналам которых осуществляется последующий баланс видеосигналов и подбираются соответствующие коэффициенты матрицирования при транспонировании изображения в видимый диапазон спектра. Датчик 3 опорных температур вырабатывает соответствующие сигналы, которые поступают на второй вход спектроделительного блока 2, и по которым спецвычислитель 7 устанавливает необходимый уровень фиксации и коэффициенты усиления в каналах, необходимые для последующей обработки видеосигналов, соответствующих изображению объекта.

Техническая реализация предлагаемого устройства осуществима как на зарубежной, так и на отечественной элементной базе.

В настоящее время МКБ “Электрон” работает над аппаратным и программным обеспечением предложенного способа.

Источники информации

1. Проспект фирмы Raytheon: Control/IR 2000 B. Customer Service Handbook. Feb.7.2001.

2. Портативный компьютерный тепловизор ТВ-03К. www. ultramed. ru/tvk 03 k.htm.

3. Цветные телевизионные камеры. www. sitek. ru/~mvideo/tkcvetn.htm.

4. Цветные телевизионные камеры. www.natm.ru/rastr/km z.htm.

Изобретение относится к телевизионным системам, в частности к телевизионным системам с камерами дальнего инфракрасного диапазона. Техническим результатом является обеспечение возможности оценки и анализа спектральных и яркостных характеристик объектов по их телевизионным изображениям в дальнем инфракрасном диапазоне. Технический результат достигается тем, что в предложенном способе используют транспонирование инфракрасного изображения объекта в видимый диапазон спектра, причем привычные объекты (например, лицо человека, снег, трава и т.д.) передаются привычными цветами (телесный, белый, зеленый и т.д.). Таким в основу способа положены следующие предпосылки: для привычного восприятия цветного тепловизионного изображения объекта, снимаемого в дальнем инфракрасном диапазоне, необходимо, чтобы цвет изображения знакомых объектов совпадал, для чего достаточно несколько опорных точек на характеристике преобразования “лучистая энергия/видеосигнал. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ визуального спектрального анализа телевизионного изображения дальнего ИК-диапазона, состоящий в спектральном разделении всего спектрального диапазона излучения объекта на три спектрозональных канала, последующего осуществления баланса видеосигналов этих спектрозональных каналов, отличающийся тем, что производят транспонирование дальнего ИК-диапазона в видимый диапазон, для чего фиксацию видеосигналов осуществляют по уровню видеосигналов, соответствующих температуре объекта -20°С (уровень “белого”), а усиление видеосигналов в каждом спектрозональном канале осуществляют таким образом, чтобы температуре 36,6°С соответствовал “телесный” цвет (цвет лица человека), причем характеристику преобразования лучистая энергия/видеосигнал в каждом спектрозональном канале выполняют линейной, а спектрозональные каналы имеют соответствующее перекрытие по спектру, и матрицирование обеспечивает выход на видеоконтрольное устройство сигналов R, G, В.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коротковолновые и длинноволновые границы спектральных характеристик спектрозональных каналов соответственно совмещены, причем длина волны максимума среднего спектрозонального канала соответствует длине волны второй опорной точки (+36,6°С), а длина волны максимума спектральной характеристики длинноволнового спектрозонального канала должен совпадать с длиной волны первой опорной точки (-20°С).3. Спектрозональная телевизионная камера дальнего ИК-диапазона, содержащая объектив, спектроделительный блок, три преобразователя лучистая энергия/видеосигнал, причем выход объектива через спектроделительный блок соединен с входами первого, второго и третьего преобразователей лучистая энергия/видеосигнал, отличающаяся тем, что в состав камеры дополнительно введены спецвычислитель, предназначенный для установления уровня фиксации видеосигналов и коэффициентов усиления в спектрозональных каналах, а также для электронного матрицирования, осуществляющего транспонирование ИК-диапазона в видимый диапазон, блок автоматического подбора опорных цветов и датчик опорных температур, выход которого соединен со вторым входом спектроделительного блока, а управляющий вход соединен со вторым управляющим выходом блока автоматического подбора опорных цветов, причем первый выход блока автоматического подбора опорных цветов соединен с входом спецвычислителя, причем управляющий вход блока автоматического подбора опорных цветов соединен с управляющим выходом спецвычислителя, а рабочие входы спецвычислителя соединены с выходами первого, второго и третьего преобразователей лучистая энергия/видеосигнал, и рабочие выходы спецвычислителя являются выходами устройства.