СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G03B39/00 G06K9/78 G06T7/20 

Изобретение относится к технике фоторегистрации однократных, изменяющихся во времени, преимущественно быстропротекающих процессов (горение, детонация, ударные волны и т.п.) на светочувствительный носитель.

Известен способ оптической регистрации в виде временной развертки преимущественно быстропротекающих газодинамических процессов (например, детонации заряда ВВ) путем проекции изображения процесса через узкую щель на отрезок фотопленки, укрепленной на вращающемся барабане или на неподвижный отрезок фотопленки, через вращающееся зеркало (например, в скоростной камере СФР). Аналогичным способом получается временная развертка при помощи системы щелей - растра (Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. М., Наука, 1964, с.21).

Недостатком этого способа являются затраты времени, связанные с необходимостью обработки пленки (проявление и пр.), и ограничение во времени регистрации процессов методом растра (этим методом могут регистрироваться только кратковременные процессы; в противном случае, вследствие взаимного наложения изображения разверток от разных щелей растра практически полностью перекроют друг друга).

Широко известен способ оптической регистрации изменяющегося во времени процесса посредством покадровой съемки при помощи видеокамеры. Существуют скоростные цифровые видеокамеры, при помощи которых получают полную и реалистичную информацию о развивающемся во времени процессе в виде временной последовательности кадров процесса. Например, камера VS-FAST-2 фирмы «НПО ВИДЕОСКАН» позволяет осуществлять съемку с частотой 500 кадров в секунду и более (Бутузов А.А. и др. Сборник тезисов докладов Международной Конференции VII Харитоновские тематические Научные Чтения, Саров, 2005 г., с.305-306). Проводя последовательно в каждом кадре измерения заданной кинематической характеристики исследуемого процесса (например, положения фронта ударной волны вдоль заданного направления; разновременности выхода волн на заданную базу и т.п.), можно получить временную зависимость заданной кинематической характеристики.

Недостатком такого способа регистрации исследуемого процесса являются, с одной стороны, затраты времени, связанные с необходимостью проведения измерений на каждом кадре и последующей математической обработки результатов измерений, а с другой стороны, погрешности, связанные с ошибками измерений на каждом кадре.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого способа, является ускорение процедуры регистрации и повышение точности регистрации исследуемых процессов, в частности быстропротекающих, при помощи цифровой видеокамеры.

Этот результат достигается при оптической регистрации (преимущественно быстропротекающих газодинамических процессов) посредством покадровой съемки с получением временной зависимости, по крайней мере, для одной кинематической характеристики исследуемого процесса за счет того, что осуществляют регистрацию в зоне одного или нескольких пространственно фиксированных фрагментов поля кадра с последующим объединением изображений каждого из фрагментов в виде оптической временной развертки.

Т.е. предложено осуществлять регистрацию не всего поля кадра, а одного или нескольких фрагментов кадра. Получаемая затем при объединении изображений каждого из фрагментов временная развертка исследуемого процесса является более информативной и наглядной по сравнению с покадровой съемкой. При этом пространственная фиксация фрагмента (фрагментов) в поле кадра необходима для обеспечения пространственной фиксации регистрируемого участка (участков) исследуемого процесса.

В частности, один фрагмент может иметь форму узкой прямолинейной полоски. Направление протяженной стороны полоски выбирается совпадающим с направлением изменения заданной кинематической характеристики исследуемого процесса. Например, это может быть перемещение волнового фронта или границы вдоль выбранного направления. При последовательном объединении изображений фрагмента кадра, полученных при покадровой съемке, в направлении, перпендикулярном протяженной стороне полоски, получаем временную развертку изображения регистрируемого процесса в рамках заданного фрагмента. Эта процедура может быть осуществлена при помощи компьютера, управляющего видеокамерой. В результате многократно снижаются затраты времени, связанные с необходимостью проведения измерений на каждом кадре и последующей математической обработкой результатов измерений, а с другой стороны, устраняются погрешности, связанные с ошибками измерений на каждом кадре.

Возможен также вариант, когда регистрацию осуществляют на несколько фрагментов поля кадра в виде системы одинаковых, прямолинейных, параллельно расположенных полосок, объединяя отдельно изображения каждого из фрагментов. В этом случае можно получить не одну, а серию временных разверток процесса, аналогичных растровой, практически не ограниченных во времени, что обеспечит более полную картину исследуемого процесса.

Наконец, регистрация может быть осуществлена в области точечных (или точечного) фрагментов кадра. В этом случае последние могут содержать несколько пикселей или в пределе только один точечный регистрирующий элемент (пиксель). При объединении изображений этих фрагментов, полученных при покадровой съемке, в заданном направлении получаем изображение процесса в виде развертки, что позволяет получить временную зависимость состояния процесса в них. Например, это может быть зависимость от времени свечения регистрируемого объекта в заданных точках.

Реализация описанного способа наиболее просто может быть осуществлена при помощи цифровой видеокамеры, в которой изображение регистрируемого объекта проецируется на ПЗС-матрицу. При покадровой съемке в обычном режиме в каждом кадре экспонируются все элементы ПЗС-матрицы и затем информация с каждого из элементов последовательно считывается в память (или на ленту). В предлагаемом способе информация считывается только с площади фрагмента или фрагментов. Вследствие этого существенно сокращается время считывания на каждом кадре и, соответственно, может быть увеличена частота съемки кадров и повышено временное разрешение, определяющее точность регистрации. В пределе фрагменты могут содержать только одномерную последовательность точечных регистрирующих элементов (т.е. фрагмент кадра в виде полоски в поперечном направлении содержит одну ячейку (один пиксел)).

Фиг.1. Условное изображение поля кадра (ПЗС-матрицы) скоростной цифровой видеокамеры с одним фрагментом, на который ведется регистрация (аналог щелевой развертки): 1 - отдельные регистрирующие элементы (пикселы); 2 - границы изображения регистрируемого объекта; 3 - границы фрагмента поля кадра, в которых информация с пикселей считывается в память компьютера

Фиг.2. Условное изображение поля кадра видеокамеры с несколькими фрагментами, на которых ведется регистрация (аналог растровой развертки).

Фиг.3. Условное изображение поля кадра видеокамеры с несколькими точечными фрагментами: 4 - точечные фрагменты поля кадра

Предлагаемый способ может быть реализован, например, в случае скоростной цифровой видеокамеры с управлением от компьютера (например, камера VS-FAST фирмы ВИДЕОСКАН). В подобных камерах периодически повторяющаяся процедура регистрации каждого кадра состоит из следующих этапов:

- экспозиция всего поля кадра в течение заданного времени;

- последовательное считывание информации с элементов первой строки (или столбца), затем второй и т.д., до конца заданного фрагмента кадра.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

При подготовке к съемке изменяющегося во времени процесса или объекта вначале производится наводка камеры на данный объект и получение его изображения на экране монитора PC, управляющего камерой. Затем на экране монитора определяются границы фрагмента поля кадра, с которого будет считываться информация (Фиг.1). По ширине фрагмент может ограничиться одним пикселом. Направление протяженной стороны фрагмента выбирается совпадающим с направлением изменения заданной кинематической характеристики исследуемого процесса. Например, это может быть перемещение волнового фронта или границы вдоль выбранного направления.

Далее производится съемка. При этом программа управления камерой считывает на каждом кадре информацию только с тех столбцов или строк, которые находятся в поле заданного фрагмента. Далее при помощи специальной программы считанная с каждого кадра информация объединяется, моделируя оптическую временную развертку изменений изображения в поле фрагмента кадра. После получения развертки ее обработка, включая определение временных характеристик регистрируемого процесса, производится при помощи PC по заданной программе, при этом временные характеристики развертки жестко задаются частотой съемки, которая в цифровой видеокамере выдерживается с высокой точностью.

Область кадра, на которую ведется регистрация снимаемого объекта, может быть задана в виде нескольких фрагментов, имеющих форму узких полосок, ширина которых может быть ограничена одним пикселом (Фиг.2). Полоски располагаются параллельно. На каждом кадре в память компьютера считывается информация только в пикселах, находящихся в зоне фрагментов. Объединение считанной информации производится для каждого фрагмента отдельно. В результате получается аналог растровой развертки регистрируемого процесса. Подобный способ получения растровой развертки имеет преимущество перед механическим способом получения подобной развертки (например, при помощи камеры СФР), поскольку во втором случае длительность регистрируемого процесса может быть ограничена вследствие наложения изображений отдельных растровых линий друг на друга на фотопленке, в то же время в первом случае это исключено.

Наконец, фрагменты кадра могут иметь точечную форму, т.е. каждый фрагмент может иметь форму квадрата, круга и т.п. и включать в себя малое количество пикселей (в пределе один пиксел) (Фиг.3). Объединение считанной информации для каждого такого фрагмента позволяет получать временную развертку состояния регистрируемого объекта в заданных точках, например наличие или отсутствие свечения в данной точке регистрируемого объекта.

Заявляемый способ был опробован в экспериментах на ударной трубе с применением видеокамеры VS-FAST. Размер ПЗС-матрицы цифровой видеокамеры VS-FAST - 1024×1280 пикселей. Максимальная скорость съемки на полный кадр составляет 500 кадров в секунду. Скорость считывания одной строки (1024 пиксела) ˜2 мкс, время считывания полного кадра ˜2 мс.

Ударная труба имела цилиндрический прозрачный канал из оргстекла; драйвером ударной волны были самосветящиеся продукты детонации смеси ацетилена с кислородом. В этих экспериментах во время регистрации процесса фиксированный фрагмент поля кадра составлял четыре строки, время считывания - 8 мкс, кадр записывался в виде отдельного bmp-файла размером 1024×4. Фиксированный фрагмент поля кадра совпадал с осью изображения канала ударной трубы на кадре. Экспозиция выбиралась равной 6 мкс. Эта величина определяется техническими характеристиками видеокамеры. Среди записанных в течение 2-х секунд 250 тысяч кадров визуально определялось начало процесса и выбиралось необходимое число кадров (1000). Затем с помощью специальной программы эти кадры выстраивались слева направо без промежутка и записывались как целый bmp-файл размером 1024×4000, составляя временную развертку движения границы светящихся продуктов детонации в ударной трубе с временным разрешением 8 мкс.

В результате обработки на компьютере временная развертка течения в ударной трубе получалась в течение ˜10 минут. При ручной обработке 1000 кадров время получения временной зависимости движения границы светящихся продуктов детонации в ударной трубе возросло бы, по крайней мере, в десятки раз.

Если бы регистрация процесса производилась на полный кадр, то разрешение по времени временной зависимости движения границы светящихся продуктов детонации в ударной трубе было бы в ˜250 раз хуже. В камере VS-FAST имеется возможность увеличения скорости съемки до 5000 кадров в секунду за счет сокращения поля кадра до формата 1280×100, но и в этом случае разрешение было бы в ˜25 раз хуже, чем достигнуто в описанном опыте.

Таким образом, подтверждена работоспособность способа. По сравнению со способом получения временной зависимости исследуемого процесса (прототип) путем измерений последовательно в каждом кадре заданной кинематической характеристики исследуемого процесса предлагаемый способ позволяет сократить в десятки раз временные затраты, повысить точность и временное разрешение.

Предлагаемый способ имеет также ряд преимуществ перед обычно используемым в настоящее время методом получения непрерывной фоторегистрации на фотопленку (аналог):

- Мобильность получения информации, поскольку отпадает необходимость в обработке фотопленки (проявление и пр.) и дальнейшего преобразования полученной информации в цифровой формат;

- Реализация ждущего режима. Длительность развертки во времени не ограничивается длиной фотопленки, а зависит только от объема памяти компьютера. Для существующей скоростной видеокамеры VS-FAST фирмы ВИДЕОСКАН время регистрации достигает 2,5 сек. По существу это уже приближается к ждущему режиму; поэтому нет необходимости разрабатывать специальные устройства для синхронизации начала регистрации с началом регистрируемого процесса, длительность которого, как правило, много меньше долей секунды. В особенности, это свойство заявляемого способа выгодно в случае растровой развертки, при которой время непрерывной регистрации на фотопленку сильно ограничено.

- Возможность получения неограниченной во времени растровой развертки. В этом случае можно получить не одну, а серию временных разверток процесса, практически не ограниченных во времени (в общем случае время непрерывной растровой регистрации на фотопленку ограничено временем перемещения растрового изображения на расстояние, равное шагу изображения растра на пленке), что существенно расширяет возможности исследования быстропротекающих процессов растровым методом.

Таким образом, фоторегистрация однократных, изменяющихся во времени процессов, в ограниченной зоне одного или нескольких пространственно фиксированных фрагментов поля кадра и последующее объединение изображений каждого из фрагментов с получением временной зависимости в виде временной развертки регистрируемого процесса позволили усовершенствовать известный способ покадровой съемки цифровой видеокамерой.

Способ оптической регистрации изменяющегося во времени процесса посредством покадровой съемки цифровой видеокамерой с ПЗС-матрицей с получением временной зависимости, по крайней мере, одной кинематической характеристики исследуемого процесса, отличающийся тем, что при покадровой съемке осуществляют регистрацию в зоне одного или ряда пространственно фиксированных фрагментов поля каждого кадра, при этом видеокамера считывает на каждом кадре информацию только с тех столбцов или строк ПЗС-матрицы, которые находятся в поле заданного фрагмента, после чего осуществляют объединение изображений каждого из зарегистрированных фрагментов с получением временной зависимости в виде временной развертки. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ оптической регистрации изменяющегося во времени процесса посредством покадровой съемки цифровой видеокамерой с ПЗС-матрицей с получением временной зависимости, по крайней мере, одной кинематической характеристики исследуемого процесса, отличающийся тем, что при покадровой съемке осуществляют регистрацию в зоне одного или ряда пространственно фиксированных фрагментов поля каждого кадра, при этом видеокамера считывает на каждом кадре информацию только с тех столбцов или строк ПЗС-матрицы, которые находятся в поле заданного фрагмента, после чего осуществляют объединение изображений каждого из зарегистрированных фрагментов с получением временной зависимости в виде временной развертки.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют регистрацию в зоне одного фрагмента поля кадра в виде узкой прямолинейной полоски.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют регистрацию в зоне ряда фрагментов поля кадра в виде системы параллельно расположенных узких прямолинейных полосок.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют регистрацию в зоне точечных фрагментов поля кадра.5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что оптическую регистрацию процесса осуществляют видеокамерой, управляемой компьютером.