СПОСОБ СЕЛЕКЦИИ ТЕПЛОВЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2010 года по МПК G02B23/12 G01S3/78 

Изобретение относится к методам обработки оптического изображения, полученного оптико-электронной системой (ОЭС) пеленгации точечных тепловых объектов (теплопеленгаторами), работающей на атмосферном фоне в инфракрасном диапазоне волн. Рассматриваемые теплопеленгаторы имеют оптическую систему с широким полем зрения, коротким фокусным расстоянием и матричным приемником инфракрасного излучения. Их относят к обзорным ОЭС. Угловой размер наблюдаемого точечного объекта в них меньше или равен элементарному угловому полю матричных инфракрасных (ИК) приемников [1, с.58].

Для таких теплопеленгаторов известен способ селекции точечных тепловых объектов, основанный на применении порога при зрительном разделении отметок от теплового объекта и фона с учетом среднего значения излучения фона [2, с.64]. Под точечным объектом (целью) понимается малоразмерный тепловой объект, изображение которого умещается в элементарном поле зрения (пиксель изображения) пеленгатора или одновременно попадает в несколько соседних пикселей (по вертикали или горизонтали) [2, с.64].

Согласно способу [2] оптическую систему теплопеленгатора направляют и затем фиксируют в сегменте небесной полусферы поиска, равном размеру углового поля объектива теплопеленгатора. Фокусируют фоноцелевое изображение на чувствительных площадках матричного многоэлементного приемника излучения и, используя строчную схему считывания, снимают электрический сигнал, пропорциональный двумерному распределению энергетической яркости излучения фона и цели. Преобразуют амплитуды сигнала в цифровой код при помощи аналогово-цифрового преобразователя. Цифровой код запоминают в оперативном запоминающем устройстве видеопроцессора в виде двумерного массива U_N,M, так что элемент этого массива u_n,m содержит информацию о напряжении, пропорциональном яркости излучения фона, снятого с ячейки многоэлементного приемника в n-й строке на m-м шаге. Далее элементы массива U_N,M преобразуют в видеосигналы и на экране монитора видеоприемного устройства формируют фоноцелевое изображение в виде яркостных отметок, номера столбцов и строк которых соответствуют номерам столбцов и строк массива U_N,M. Для селекции теплового объекта используют пороговый алгоритм. Выбор порога производят с учетом того, что яркости излучения «холодного» атмосферного фона и теплового объекта отличаются по величине. Порог срабатывания зрительно выбирают по среднему уровню яркости фонового шума. Те области изображения, где яркость пикселя выше установленного порога, считают тепловым объектом (целью), остальные - фоном. При этом предполагают, что двумерное поле яркости случайного фона имеет нормальный закон распределения [2, с.65].

К недостаткам способа следует, прежде всего, отнести необходимость получения заблаговременной информации о статистических характеристиках фона для выбора порога селекции. К сожалению, такой подход практически нереализуем [2, с.65]. Это связано с тем, что радиус временной корреляции атмосферных фонов составляет в среднем 50 с [3, с.135]. Это означает, что время жизни фона с определенными статистическими характеристиками ограничено. Поэтому необходимо с определенной периодичностью перенастраивать зрение для поддержания заданной вероятности селекции. Кроме того, известно, что закон распределения большей части атмосферных фонов является бимодальным, т.е. отличным от нормального [3, с.141]. Поэтому при использовании зрительной селекции повышается вероятность ошибок принятия решений. Зрительные возможности у разных операторов различны, и на бликующем фоне порой трудно сразу выделить отметку от теплового объекта, а еще сложнее подсчитать их число.

Задачей изобретения является разработка более совершенного способа селекции тепловых объектов, учитывающего отличия пространственных спектров излучения теплового объекта и атмосферного фона и воспроизводящего отметки от тепловых объектов в контрастном виде по отношению к фону.

Для решения задачи изобретения предлагается использовать пространственную фильтрацию принятых сигналов. Структурная схема теплопеленгатора, реализующая предлагаемую пространственную фильтрацию, представлена на фиг.1. Пространственный фильтр предлагается реализовать программно в видеопроцессоре в соответствии с предлагаемым алгоритмом пространственной фильтрации

1. Получение массива изображения U_N,M из аналогово-цифрового преобразователя видеопроцессора размером N×М, где N - число строк, а М - число столбцов массива.

2. Расчет диагональной корреляционной матрицы K1_N,N

по строкам массива U_N,M, элементы которой рассчитываются по формуле:

где k1_n,(n+k) - нормированный коэффициент взаимной корреляции между n-ой и (n+k)-oй строками массива изображения; U_n,m, U_(n+k),m - напряжение, снимаемое с выхода элементарного приемника, пропорциональное энергетической яркости излучения, расположенного в n-ой и (n+k)-ой строках; σ_n, σ_(n+k) - математическое ожидание напряжения в n-ой и (n+k)-ой строках; σ_n, σ_(n+k) - среднеквадратические отклонения энергетических яркостей в n-ой и (n+k)-ой строках; М - количество элементов в столбце; k - шаг расчета нормированных коэффициентов корреляции (k=0,1,2,3,…N) [3, с.132].

3. Формирование вектора

из элементов второй диагонали корреляционной диагональной матрицы K1_N,N.

4. Расчет диагональной корреляционной матрицы K2_M,M

по столбцам массива U_N,M, элементы которой рассчитываются по формуле:

где k2_m(m+k) - нормированный коэффициент взаимной корреляции между m-м и (m+k)-м столбцами массива изображения; U_n,m, U_n,(m+k) - напряжение, снимаемое с выхода элементарного приемника, пропорциональное энергетической яркости излучения, расположенного в m-м и (m+k)-м столбце; µ_m, µ_(m+k) - математическое ожидание напряжения в m-м и (m+k)-м столбце; σ_m, σ_(m+k) - среднеквадратические отклонения энергетических яркостей в m-м и (m+k)-м столбце (строке); N - количество элементов в строке; k - шаг расчета нормированных коэффициентов корреляции (k=0,1,2,3,…N) [3, с.132].

5. Формирование вектора

из элементов второй диагонали корреляционной диагональной матрицы K2_M,M.

6. Формирование массива E_N-1,M-1, в каждый элемент, имеющий индексы n и m, которого записывают результат умножения в соответствии с формулой e_n,m=r1_n×r2_m, где r1_n и r2_m - величины n-го и m-го элементов векторов R1_N-1; и R2_M-1 соответственно.

7. Пороговая обработка, в процессе которой сравнение величин элементов массива E_N-1,M-1 с пороговым значением, равным 0,25.

Формирование выходных видеосигналов в соответствии с правилом:

при превышении величиной элемента массива e_n,m порогового значения, ему присваивают единичное значение;

если значение элемента массива e_n,m меньше или равно пороговому значению, величину элемента обнуляют.

8. Формирование фоноцелевого изображения на мониторе видеоприемного устройства с использованием массива E_N-1,_M-1. Прямоугольный экран монитора видеоконтрольного устройства делят на прямоугольные ячейки по числу строк и столбцов массива E_N-1,M-1. Ячейки e_n,m, содержащие нулевые значения, выделяют цветом, имеющим наибольшую контрастность по отношению к фону экрана монитора.

Блок-схема алгоритма двумерной пространственной фильтрации представлена на фиг.2.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что для селекции точечного теплового объекта предлагается использовать отличия пространственных спектров излучения точечного объекта и протяженного, более холодного, атмосферного фона. Пространственный спектральный анализ атмосферного фона содержит расчет нормированных пространственных плотностей мощности флуктуации излучения. Он связан с методическими и вычислительными сложностями, касающимися оптимизации выбора корреляционного окна. Согласно теореме Винера-Хинчина, пространственная спектральная плотность мощности преобразованием Фурье связана с взаимной корреляционной функцией [3, с.132]. Поэтому предлагается оценивать нормированную плотность мощности излучения на основе анализа нормированных коэффициентов взаимной корреляции для соседних столбцов (строк) цифрового массива изображения по формулам (1)-(2).

Результаты расчетов коэффициентов взаимной корреляции по строкам записывают в корреляционные диагональные матрицы. Первая (центральная) диагональ любой корреляционной матрицы содержит элементы, равные единице, поскольку каждый элемент диагонали получен расчетом коэффициента корреляции строки самого с собой. Вторая диагональ матрицы показывает, каков коэффициент взаимной корреляции первой строки со второй, второй с третьей и т.д.

Нормированные коэффициенты взаимной корреляции, изменяются в интервале от -7 до 7. При исследовании корреляционных связей фонового излучения атмосферы принято считать, что если коэффициент взаимной корреляции меньше 0,5, то корреляционные связи слабы или отсутствуют [3, с.135]. Такая ситуация возникает, если в одной из соседних строк или столбцов есть тепловой объект (цель), а в другой его нет. Наличие точечного объекта цели приводит к ослаблению корреляционной связи между соседними строками или столбцами массива двумерного изображения. Поэтому значение уровня р=р_стр·р_ст=0,5·0,5=0,25 при перемножении пороговых коэффициентов взаимной корреляции, полученных по строкам и столбцам, предлагается считать общим порогом принятия решения.

Для проверки работоспособности предложенного способа двумерной пространственной фильтрации было проведено математическое моделирование. Примерный вид изображения, получаемый на мониторе видеоприемного устройства теплопеленгатора при наличии теплового объекта, по которому предлагается проводить зрительную селекцию тепловых объектов согласно прототипу [2], представлен на фиг.3. Изображение получено в соответствии с массивом изображения U_N,M, каждый элемент u_n,m которого содержит информацию о напряжении, пропорциональном яркости излучения фона, снятого с ячейки многоэлементного приемника в n-й строке на m-м шаге. Массив U_N,M с сигналом точечного теплового объекта и массив без сигналов объекта использовались для проведения математического моделирования.

Для массивов U_N,M были рассчитаны диагональные корреляционные матрицы K1_N,N по строкам и матрицы K2_M,M по столбцам. По ним были получены векторы R1_N-1 и R2_M-1 из элементов вторых диагоналей корреляционных диагональных матриц K1_N,N и K2_M,M. Примерные виды массивов K1_N,N, K2_M,M и векторов R1_N-1, R2_M-1, полученные для случаев наличия и отсутствия теплового объекта, представлены на фиг.4-11.

Векторы R1_N-1, R2_M-1, были использованы для получения массивов E_N-1,M-1, в каждый элемент, имеющий индексы n и m, которого записывался результат умножения в соответствии с формулой e_n,m=r1_n×r2_m, где r1_n и r2_m - величины n-го и m-го элементов векторов R1_N-1 и R2_M-1 соответственно. Примерные виды массивов E_N-1,M-1, полученные для случаев наличия и отсутствия теплового объекта, представлены на фиг.12, 13.

В соответствии с решающим правилом по порогу р=0,25 в элемент e_n,m записывали 0, если в соответствующем элементе массива e_n,m≤р. В элемент e_n,m записывали 1, если в соответствующем элементе массива e_n,m>р. Таким образом, окончательно формировали массив E_N-1,M-1. Фрагмент массива E_N-1,M-1 без отметки от теплового объекта представлен на фиг.14, а фрагмент массива E_N-1,M-1 с отфильтрованной отметкой от объекта, представлен на фиг.15.

Массив E_N-1,M-1 был использован для создания фоноцелевого изображения на мониторе видеоприемного устройства. Для этого прямоугольный экран монитора видеоконтрольного устройства делили на прямоугольные ячейки по числу строк и столбцов массива Е_N-1,M-1. Ячейки е_n,m, содержащие нулевые значения, выделяли цветом, имеющим наибольшую контрастность по отношению к фону экрана монитора. Считали, что в элементах массива со значениями е_n,m=0 находились отметки от точечных тепловых объектов (целей). По номерам строк и столбцов элементов, отличающихся по цвету от фона экрана монитора, определяли пространственное положение цели в сегменте полусферы поиска. Изображение на мониторе с отфильтрованной точечной тепловой целью представлено на фиг.16.

Как видно из сравнения видеоизображений, показанных на фиг.3 и фиг.16, при использовании предложенного способа отметки от тепловых объектов (целей) ввиду отсутствия фона видны контрастно. Поэтому оценить их пространственное положение в сегменте полусферы поиска легко. Это необходимо для того, чтобы оператор мог направить в область пространства с найденным объектом ОЭС с видоискателем, имеющим узкое поле зрения, длинный фокус, а значит и большую кратность увеличения. Размеры изображения объектов в таких приборах сопоставимы с размерами матричного ИК приемника излучения. Используя этот класс приборов, можно решать задачи распознавания, сопровождения и прицеливания.

Предложенный способ не требует априорного знания статистических характеристик фона, так как нет необходимости селектировать отметку объекта на уровне бликующего фона, зрительно выбирая порог селекции. Способ позволяет селектировать несколько точечных объектов, находящихся в разных точках пространства.

Полученные на экране монитора контрастные изображения тепловых объектов позволяют определять их угловые координаты, количественный состав и другие характеристики без предварительной подготовки человека-оператора, что приводит к увеличению информационной способности и простоте эксплуатации оптико-электронных систем.

Источники информации

1. Якушенков Ю.Г., Тарасов В.В. Инфракрасные системы «смотрящего» типа. М.: «Логос», 2004. 430 с.

2. Приходько В.Н., Хисамов Р.Ш. Обнаружение «точечных» объектов теплопеленгатором на основе матричного фотоприемного устройства // Оборонная техника. Вып.1-2, 2007. С.64-66.

3. Алленов М.И. и др. Стохастическая структура излучения облачности. С-Пб.: Гидрометеоиздат, 2000. 175 с.

Изобретение может быть использовано при автоматизации процесса селекции тепловых объектов. В способе фокусируют фоноцелевое изображение на многоэлементном приемнике излучения и преобразуют амплитуды сигнала в цифровой код, который запоминают в виде двумерного массива U_N,M так, что элемент этого массива u_n,m содержит информацию о напряжении, пропорциональном яркости излучения фона, снятого с ячейки многоэлементного приемника в n-й строке на m-м шаге. Обрабатывают данные массива U_N,M и формируют двумерный массив E_N-1,M-1. Величины элементов массива e_n,m сравнивают с пороговым значением, равным 0,25. При превышении e_n,m порогового значения ему присваивают единичное значение, а при e_n,m, меньшем или равным порогу, - обнуляют. Прямоугольный экран монитора делят на ячейки по числу строк и столбцов массива E_N-1,M-1. Ячейки e_n,m с нулевыми значениями, соответствующие отметкам от точечных тепловых объектов, выделяют контрастным к фону экрана цветом и определяют пространственное положение тепловых объектов в сегменте полусферы поиска. Технический результат - повышение контрастности изображения теплового объекта за счет учета отличий пространственных спектров излучения теплового объекта и атмосферного фона. 16 ил.

Способ селекции тепловых объектов, заключающийся в том, что оптическую систему теплопеленгатора направляют и затем фиксируют в сегменте небесной полусферы поиска, равном угловому размеру поля зрения оптической системы теплопеленгатора, в котором предполагают нахождение теплового объекта, фокусируют фоноцелевое изображение на чувствительных площадках матричного многоэлементного приемника излучения и, используя строчную схему считывания, снимают электрический сигнал, пропорциональный двумерному распределению энергетической яркости излучения фона и теплового объекта, преобразуют амплитуды сигнала в цифровой код при помощи аналогово-цифрового преобразователя, цифровой код запоминают в оперативном запоминающем устройстве видеопроцессора в виде двумерного массива U_N,M так, что элемент этого массива u_n,m содержит информацию о напряжении, пропорциональном яркости излучения фона, снятого с ячейки многоэлементного приемника в n-й строке на m-м шаге, отличающийся тем, что для массива изображения U_N,M рассчитывают корреляционную диагональную матрицу К1_N,N по строкам, из элементов второй диагонали полученной матрицы К1_N,N формируют вектор R1_N-1, затем для массива U_N,M рассчитывают корреляционную диагональную матрицу К2_M,M по столбцам, из элементов второй диагонали матрицы К2_M,M формируют вектор К2_M-1, формируют двумерный массив E_N-1,M-1, в каждый элемент с индексами n и m которого записывают результат умножения в соответствии с формулой e_n,m=r1_n×r2_m, где r1_n и r2_m - величины n-го и m-го элементов векторов R1_N-1 и R2_M-1 соответственно, величины элементов массива E_N-1,M-1 сравнивают с пороговым значением, равным 0,25, при превышении величиной элемента массива e_n,m порогового значения ему присваивают единичное значение, а при значении величины элемента массива e_n,m, меньшем или равным порогу, величину элемента обнуляют, для формирования фоноцелевого изображения на мониторе видеоприемного устройства используют массив E_N-1,M-1, прямоугольный экран монитора видеоконтрольного устройства делят на прямоугольные ячейки по числу строк и столбцов массива E_N-1,M-1, ячейки e_n,m, содержащие нулевые значения, выделяют цветом, имеющим наибольшую контрастность по отношению к фону экрана монитора, принимают решение, что в элементах массива со значениями e_n,m=0 находятся отметки от точечных тепловых объектов, по номерам строк и столбцов элементов, отличающихся по цвету от фона экрана монитора, определяют пространственное положение тепловых объектов в сегменте полусферы поиска, при отсутствии на экране элементов, отличающихся по цвету от фона экрана монитора, принимают решение об отсутствии тепловых объектов в анализируемом сегменте небесной полусферы поиска.