Способ визуализации в цвете изображений различных диапазонов спектра электромагнитного излучения Российский патент 2019 года по МПК G01N23/00 G06T1/00 G01T1/00 

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:

где а₁ а₂, a₃ - 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.

Рассмотренный способ визуализации в цвете рентгеновских изображений имеет существенные недостатки: система уравнений (1) носит неоднозначный характер, так как не раскрыта физическая сущность постоянных коэффициентов a₁ а₂ a₃ и не указаны их численные значения; не ясно, как определяются параметры цветности красного (ε_R, ), зеленого (ε_G, ) и синего (ε_B, ) 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.

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_R, U_G и U_B цветного изображения, которые затем направляют на вход монитора, при этом цифровые видеосигналы красного U_R, зеленого U_G и синего U_B каналов монитора определяют из системы уравнений:

где L_R, L_G и L_B - относительные яркостные коэффициенты в колориметрической системе монитора R_mG_mB_m, F̅_max, E̅_max, D(E_max) - 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.

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_max). 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_R, U_G и U_B - 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.

Изобретение относится к иконике для создания систем визуализации в инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и других участках спектра электромагнитных излучений. Технический результат заявленного изобретения заключается в возможности представления в цвете изображений различных диапазонов спектра электромагнитного излучения. Для этого 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. Полученные 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 затем подают в устройство матрицирования для выполнения операции матрицирования и определения цифровых видеосигналов U_R, U_G и U_B цветного изображения, которые затем направляют на вход монитора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. 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, после чего 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 затем подают в устройство матрицирования для выполнения операции матрицирования и определения цифровых видеосигналов U_R, U_G и U_B цветного изображения, которые затем направляют на вход монитора, при этом цифровые видеосигналы красного U_R, зеленого U_G и синего U_B каналов монитора определяют из системы уравнений

,

где L_R, L_G и L_B - относительные яркостные коэффициенты в колориметрической системе монитора R_mG_mB_m, F̅_max, E̅_max, D(E_max) - максимальные средние значения сигналов невидимого изображения на выходе видеопроцессора, - средние энергии световых потоков фотонов красного, зеленого и синего каналов, - средние значения их квадратов, а и среднее значение энергии фотонов белого цвета и квадрат указанного среднего значения, соответственно.

2. Способ по п. 1, в котором средние энергии фотонов световых потоков красного зеленого и синего каналов и средние значения их квадратов рассчитывают по соотношениям

,

где - удельные координаты колориметрической системы монитора R_mG_mB_m, причем интегрирование осуществляют по всему диапазону длин волн видимого участка спектра электромагнитного излучения.

3. Способ по п. 1, в котором среднее значение энергии фотонов белого цвета и среднее значение квадрата энергии фотонов белого цвета рассчитывают по формулам

соответственно.