СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2019 года по МПК H04N13/00 

Настоящее изобретение относится к области формирования изображений с использованием систем и устройств объемного телевидения и может найти применение для наблюдения объектов окружающего пространства. Оно предусматривает получение и отображение информации для автоматического анализа и зрительного восприятия объектов с использованием разноспектральных изображений. Это достигается на основе регистрации и преобразования лучистого потока в разных зонах видимой, ближней и инфракрасной областей спектра в сигналы телевизионных изображений. Изобретение может быть применено в робототехнике, системах технического зрения для решения задач наблюдения объектов в дневное и ночное время.

Количество отраженной от земной поверхности лучистой энергии зависит от количества энергии, поступившей от Солнца, являющегося естественным базовым источником излучения. Идеализированный спектр излучения Солнца, как основного источника лучистого потока J(λ), который направлен на объекты материального мира Земли, включает гамма-лучи и лучистый поток ультрафиолетовой (УФ), видимой (ВИ) и инфракрасной (ИК) областей спектра. Как известно, основной поток энергии солнечного излучения приходится на ВИ и ближние УФ и ИК области спектра в соотношении 40:10:50

Почти вся (99,9%) пришедшая от Солнца на земную поверхность лучистая энергия приходится на спектральный участок от 0,3 до 3,0 мкм с преобладанием в видимой области спектра (максимум около 0,55 мкм). Земля, накопив солнечную энергию, сама становится источником излучения в интервале длин волн λ=3,0-4,0 мкм с максимумом в диапазоне λ=8-12 мкм.

Известны достоинства ближней ИК области спектра (1,0-2,5 мкм) для ведения наблюдения в ночное время суток, к которым относятся: высокий уровень естественной ночной освещенности на длине волны λ=1,6 мкм, высокий уровень контраста цели, повышенная прозрачность атмосферы и ряд других факторов. Надо отметить, что в диапазоне длин волн 1,4-1,7 мкм существенно повышается прозрачность атмосферы и, более чем на порядок (по сравнению с ВИ областью спектра), снижается яркость атмосферной дымки. Поэтому лучистый поток в этом диапазоне длин волн проходит лучше через некоторые виды дыма, пыли и туманов, что позволяет обеспечить большую вероятность обнаружения, селекции и идентификации объектов.

Атмосфера значительно ослабляет и спектрально преобразует солнечное излучение вследствие рассеяния и поглощения молекулами газов, водяными парами, твердыми частицами. Таким образом, спектр излучения поверхности Земли имеет днем два максимума - один на длине волны около 0,55 мкм, обусловленный отраженной солнечной радиацией, и второй - на длине волны около 10,0 мкм, обусловленный собственным тепловым излучением Земли.

Это говорит о том, что наряду с отражательной способностью лучистого потока, большинство объектов материального мира, за счет их естественного или искусственного нагревания, сами излучают лучистый поток F_изл(λ) в тепловой части ИК области спектра. При этом максимальная длина волны излучения определяется известным выражением:

где T⁰ -температура в Кельвинах, а λ_max - длина волны с максимальной интенсивностью в микрометрах.

Освоение тепловой части ИК области спектра позволило создать различные типы «тепловизоров», которые формируют тепловизионные изображения подобно обычным ТВ камерам (изображения в ТВ формате), но используют для этого не ВИ световой поток, а ИК лучистый поток, излучаемый самими объектами (на основе имеющегося различия в распределении температуры объектов окружающей среды между собой).

Как известно, ночью спектр излучения земной поверхности изменяется, сохраняется только максимум в области собственного излучения, а в области отражения максимум исчезает. Диапазон 3,0-5,0 мкм характерен для регистрации излученного потока, например, при пожарах, поскольку согласно выражению (1) это соответствует температуре горящих объектов.

Диапазон 8,0-12,0 мкм характерен для регистрации излученного лучистого потока нагретых (охлажденных) естественных объектов поверхности Земли или искусственных объектов, имеющих иную температуру по сравнению с фоновыми объектами.

Важной характеристикой зрительного восприятия объектов оптических изображений выступает контрастная чувствительность глаза - способность различать одни объекты на фоне других [5], за счет не одинаковой их яркости, которая определяется излучательными или отражательными свойствами наблюдаемых объектов в заданном пространстве и спектральном интервале.

Существуют различные варианты определения контрастности объектов k_i в оптических изображениях, например,

где B_i и B_j - величины яркости i и j - наблюдаемых объектов, при этом величина контрастности может принимать значения в интервале 0<k₁≤1.

Обычно интересующий объект (объект селекции) наблюдается на фоне другого объекта. Каждый из них может иметь определенную яркость, цвет и отражательную способность. Различие между объектом наблюдения и фоном будет фиксироваться зрительным анализатором человека, если контраст по яркости между ними превышает некоторую пороговую величину

ε - порог контрастной чувствительности глаза, принимается равный величине 0,01≤ε≤0,02.

Согласно (3), различение одного объекта на фоне другого возможно в том случае, если контраст между ними будет выше минимально допустимого контраста. Таким образом, при наблюдении объектов в изображениях важное место занимает минимальное значение приращения яркости, которое может быть обнаружено зрительным аппаратом человека

ΔB_min=(B_i- B_j).

При небольших значениях контрастности наблюдаемое изображение считается малоконтрастным. Малоконтрастные изображения характерны для объектов, обладающих минимальной отражательной способностью, слабой освещенностью или большой удаленностью от места их наблюдения. Поэтому достоверное и качественное решение задач наблюдения и анализа изображений, в первую очередь, связано с возможностью получения контрастных изображений.

Естественно, что для наблюдения состояния и контроля тех или иных объектов земной поверхности и их перемещения в пространстве используют различные типы прикладных оптико-электронных, телевизионных (ТВ) и тепловизионных (ТПВ) систем и устройств. Они осуществляют регистрацию лучистого (светового) потока внутри широкого спектрального участка от λ₁ до λ_n.

Принципы формирования видеосигналов с помощью отдельных черно-белых, цветных и спектрозональных ТВ камер, а также с использованием ТПВ камер для визуального анализа изображений объектов нашли должное отражение в зарубежной и отечественной литературе [4, 5].

Для формирования черно-белых и цветных ТВ изображений используется регистрация светового потока в ВИ области спектра. В передающем тракте ТВ системы осуществляется формирование сигналов изображения и их обработка, а в приемном тракте их отображение на экране видеоконтрольных устройств в виде черно-белых или цветных изображений.

Спектрозональные ТВ изображения могут быть сформированы путем регистрации лучистого (светового) потока в УФ, ВИ и ИК областях спектра. Информативность таких изображений может быть значительно выше (в десятки раз) по сравнению с цветными RGB изображениями, и особенно при различении объектов земной поверхности, имеющих одинаковые пространственные признаки (по форме, размеру и т.д.).

Наблюдение объектов в ночное время суток, можно осуществлять путем регистрации лучистого потока в тепловой части ИК области спектра в спектральных участках 3-5 мкм и 8-12 мкм.

На сегодня существует большой класс устройств тепловидения, в котором для регистрации излученного лучистого потока от объектов используют матричные фотоприемники (МФП), работающие в вещательном ТВ формате, что делает такие системы в ряде случаев незаменимыми для наблюдения объектов земной поверхности в ночное время суток даже в черно-белом виде. Формируемые сигналы могут представляться в аналоговом или цифровом виде.

Известны патентные источники, отражающие системы и способы формирования объемных ТВ изображений (RU 94013026 C1 H04N 15/00, 27.12.1995, RU 2096926 H04N 13/00, 20.11.1997, RU 2152066 С1, 27.06.2000, RU 2189121 С1 09.02.2002, RU 2337386 С2 G02B 27/22, 10.05.2008, US 5621545 А, 15.04.1994, JP 8227054 А, 03.09.1996, DE 19806547 А, 05.11.1998, US 6496183 В1, 17.12.2002) и др.

Известны литературные источники, описывающие системы и способы формирования черно-белых и цветных объемных ТВ изображений (Джакония В.Е. Вещательные системы стереоцветного телевидения / Учеб. пособие. - Л.: Изд. ЛЭИС, 1979. - 51 с. [1], Мамчев Г.В. Стереотелевизионные устройства отображения информации. - М.: Радио и связь. 1983. - 96 с. [2] и др.

Принципы и способы реализации систем спектрозонального телевидения, которые используют регистрацию отраженного или излученного потока лучистости от объектов наблюдения в различных зонах оптического спектра нашли свое отражение в работах авторов - Сагдуллаев Т.Ю., Сагдуллаев Ю.С. К вопросу выбора зон регистрации в спектрозональном телевидении. Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2011, вып. 2, С. 3-25 [3], Ковин С.Д., Сагдуллаев В.Ю., Сагдуллаев Ю.С. Системы многоракурсного телевидения. М.: "Спутник+", 2014. - 184 с. [4], Сагдуллаев Ю.С., Ковин С.Д. Восприятие и анализ разноспектральных изображений. М.: "Спутник+", 2016. - 251 с. [5].

Спектрозональный эффект достигается при регистрации лучистого потока объектов в отдельных зонах Δλ_i внутри некоторого спектрального участка от λ₁ до λ_n, и проявляется уже при двух зонах регистрации в случае сопоставлении двух зональных изображений между собой. При отображении отдельных зональных видеосигналов на экране цветного видеоконтрольного устройства получается спектрозональное цветное ТВ изображение в «условных» цветах, что позволяет повысить различимость объектов по спектрально-энергетическим признакам. Однако, вышеуказанные работы отражают вопросы применения таких систем для формирования только двумерных спектрозональных ТВ изображений.

Дальнейшее увеличение информативности спектрозональных ТВ изображений связано с получением дополнительной различительной информации по спектрально-энергетическим и пространственным признакам объектов и может быть достигнуто путем формирования трехмерного спектрозонального ТВ изображения. Вопросы, связанные с формированием объемных спектрозональных изображений, отражены в работах: Сагдуллаев Т.Ю. Особенности построения систем объемного спектрозонального телевидения / Т-СОММ-Телекоммуникации и транспорт, М., 2010 г., №9, С. 69-71 [6]. Сагдуллаев Ю.С. Системы спектрозонального объемного телевидения и их особенности // Broadcasting. Телевидение и радиовещание. М.: 2014 г., №6, С. 34-39 [7] и др.

Известна заявка, отражающая способ формирования сигналов объемного спектрозонального телевидения [8]. Несмотря на оригинальность предлагаемых решений, недостатком рассмотренных способов и устройств является то, что формируемые спектрозональные ТВ изображения в таких системах в большинстве случаев представляются в «условных» цветах и не могут быть представлены в реальных цветах, что в ряде случаев является существенным их недостатком.

В качестве наиболее близкого аналога заявленного изобретения по совокупности признаков и операций над сигналами принят источник, в котором дано описание способа формирования объемного цветного ТВ изображения (Телевидение: Учебник для вузов / В.Е. Джакония, А.А. Гоголь, Я.В. Друзин и др.: Под ред. В.Е. Джаконии. - М.: Радио и связь, 2004. - (с. 569-574) [9]. На рисунке указанного источника (стр. 572, рис. 21.4) приведена укрупненная структурная схема передающей и приемной части системы стереоцветного телевидения. Для источников ТВ сигналов объемных цветных изображений она отображает на передающей и приемной стороне системы следующую последовательность операций над сигналами изображений:

- Формирование ТВ сигналов первичных цветов красного (R), зеленого (G), синего цвета (В) для левой и правой стереопары - (U_B)_Л, (U_R)_Л, (U_B)_Л и (U_R)_П, (U_G)_П, (U_B)_П с помощью разнесенных между собой на некоторое базисное расстояние - В₀ двух передающих камер цветного телевидения, в каждой из которых, входной лучистый поток F(λ), отраженный от объектов наблюдения, пройдя объектив ТВ камеры, расщепляется на три световых потока F_R(λ), F_G(λ) и F_B(λ), согласованных со спектральной характеристикой зрительной системы человека, где каждый поток фокусируется на светочувствительной поверхности своего преобразователя "свет-сигнал" (ПЗС матрицы), на выходе которых формируются первичные ТВ сигналы цветности - U_R, U_G и U_B для левой и правой стереопары.

- Обработку на передающей стороне сигналов левой и правой стереопары по принятому алгоритму, смешивание их с синхронизирующими сигналами, объединение в один результирующий сигнал и передача по каналу связи. При этом из трех сигналов левой стереопары (U_R)_Л, (U_G)_Л, (U_B)_Л формируется один яркостной сигнал (сигнал черно-белого телевидения) (U_Y)_Л в полной полосе частот, а из трех сигналов правой стереопары (U_R)_П, (U_G)_П, (U_B)_П формируют один яркостной сигнал правой стереопары (U_Y)_П и два цветоразностных сигнала (U_R-Y)_П и (U_B-Y)_П, которые ограничивают по частоте до 1,5 МГц.

- Передачу сигналов по каналу связи, прием результирующего ТВ сигнала и выполнение в приемной части системы обратных операций над сигналами, для восстановлений исходных ТВ сигналов левой и правой стереопары и их отображения на экране видеоконтрольных устройств на основе известных методов и устройств (например, сепарации кадров стереопары с помощью предэкранных поляризационных фильтров, с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации и использованием поляроидных очков и др.).

Рассмотренная схема расщепления входного лучистого потока на три стандартные составляющие RGB (из-за особенностей зрительного цветового восприятия), которые одинаковы при формировании изображений как для левой, так и правой стереопары, а также принятые операции обработки сигналов изображений и предельные возможности информативности фиксированных зон регистрации лучистого потока в ВИ области спектра не позволяют осуществить дальнейшее повышение контрастности наблюдаемых объектов и обеспечить увеличение различимости различных сочетаний объектов.

Технический результат - обеспечение увеличения различимости различных сочетаний объектов оптических изображений по спектрально-энергетическим и пространственным признакам в ТВ изображениях.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа формирования сигналов объемного цветного телевидения, путем получения на предающей стороне первичных сигналов за счет расщепления входного лучистого потока F(λ) ВИ области спектра, отраженного от объектов наблюдения на три световых потока - красную, зеленую и синюю составляющую F_R(λ), F_G(λ) и F_B(λ) и их преобразования в ТВ сигналы изображений с помощью разнесенных между собой на некоторое базисное расстояние В₀ двух передающих ТВ камер цветного телевидения и формирования сигналов изображений левой и правой стереопары, дальнейшей обработки сигналов, передаче сигналов по каналу связи, приему сигналов и их отображения с использованием тех или иных методов формирования объемных изображений, для чего на передающей стороне формируют сигналы ТВ изображений левой стереопары путем регистрации лучистого потока только в видимой области спектра, а сигналы ТВ изображений правой стереопары формируют путем регистрации лучистого потока в разных зонах оптического спектра Δλ_i, за счет использования во второй ТВ камере не одинаковых зон регистрации лучистого потока Δλ_i, внутри широкого спектрального участка с длиной волны от λ₁ до λ_n, для чего входной лучистый поток F(λ) во второй ТВ камере расщепляют на несколько идентичных потоков и пропускают через оптические фильтры с разными спектральными характеристиками Ф(Δλ_i), на выходе которых образуются отдельные лучистые потоки F(Δλ_i), затем осуществляют операцию преобразования лучистого потока в спектрозональные сигналы ТВ изображений, путем формирования сигналов для правой стереопары в виде сигналов U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t), после чего осуществляют обработку сигналов ТВ изображений левой и правой стереопары, включающей усиление, коррекцию, преобразование и обработку сигналов в цифровой форме, а также суммирование сигналов ТВ изображений левой стереопары U_ΔλR(t), U_ΔλG(t), U_ΔλB(t) и правой стереопары U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t) с сигналами синхронизации, далее образованные сигналы используют для автоматического анализа информации на основе оценки распределения амплитудных значений сигналов в спектральном участке длин волн от λ₁ до λ_n, включающего видимую и инфракрасные области спектра, кроме того, осуществляют выборку одного сигнала ТВ изображения правой стереопары U_Δλi(t), где i=1, 2 или 3, после чего осуществляют отображение сигнала ТВ изображения правой стереопары U_Δλi(t), с использованием первого видеоконтрольного устройства в виде черно-белого ТВ изображения, а также отображают сигналы ТВ изображений левой стереопары U_ΔλR(t), U_ΔλG(t), U_ΔλB(t) в виде цветного ТВ изображения с использованием второго видеоконтрольного устройства для раздельного визуального восприятия изображений каждой стереопары правым и левым глазом наблюдателя.

Спектральные характеристики оптических фильтров Ф(Δλ_i) для второй ТВ камеры могут иметь различную форму, ширину зон регистрации и расположение в спектральном участке от λ₁ до λ_n, которые могут включать отдельные узкие или широкие зоны - Δλ₁ для ближней инфракрасной области спектра (0,78-2,5 мкм), Δλ₂ для средней инфракрасной области спектра (3-5 мкм) и Δλ₃ для дальней инфракрасной области спектра (8-12 мкм).

За счет большей степени согласованности входного звена ТВ системы с объектами наблюдения по спектрально-энергетическим признакам при использовании такого способа регистрации лучистого потока с использованием разных зон регистрации, информативность формируемых ТВ изображений для селекции объектов может быть выше по сравнению с объемными черно-белыми и цветными изображениями, полученными за счет изображений левой и правой стереопары, путем регистрации лучистого (светового) потока в одинаковой ВИ области спектра. Это определяется возможностью использования разных информативных зон регистрации лучистого потока для формирования изображений правой стереопары, которые обеспечивают получение дополнительной различительной информации по спектрально-энергетическим и пространственным признакам объектов. Использование предложенных операций по регистрации лучистого потока и формирования сигналов является существенным и обеспечивает достижение поставленной цели в данном способе.

Технический результат достигается за счет увеличения общего числа зон регистрации лучистого потока, отраженного или излученного от объектов, путем использования для формирования изображений правой стереопары зон регистрации, включающих ближнюю, среднюю и дальнюю ИК области спектра, а для формирования изображений левой стереопары зон регистрации лучистого потока в ВИ области спектра.

Для достижения указанного результата предлагается способ наблюдения объектов, включающий на передающей стороне операции формирования ТВ сигналов изображений наблюдаемых объектов в виде ТВ изображений левой и правой стереопары с помощью разнесенных между собой на некоторое базисное расстояние В₀ первой и второй передающих ТВ камер, в каждой из которых, входной лучистый поток F(λ), отраженный от объектов наблюдения, пройдя объектив первой и второй ТВ камеры, расщепляется на одинаковые лучистые потоки, где каждый лучистый поток фокусируется на рабочей поверхности своего преобразователя «свет-сигнал» и преобразуется в сигналы ТВ изображений левой и правой стереопары, где сигналы ТВ изображений для левой стереопары формируются в виде сигналов цветного телевидения U_ΔλR(t), U_ΔλG(t), U_ΔλB(t) далее сигналы изображений левой и правой стереопары усиливают, смешивают с синхронизирующими сигналами и отображают их на экране левого и правого видеоконтрольных устройств для визуального восприятия изображений наблюдателем, в котором на передающей стороне формируют сигналы ТВ изображений левой стереопары путем регистрации лучистого потока только в видимой области спектра, а сигналы ТВ изображений правой стереопары формируют путем регистрации лучистого потока в разных зонах оптического спектра Δλ_i, за счет использования во второй ТВ камере не одинаковых зон регистрации лучистого потока Δλ_i, внутри широкого спектрального участка с длиной волны от λ₁ до λ_n, для чего входной лучистый поток F(λ) во второй ТВ камере расщепляют на несколько идентичных потоков и пропускают через оптические фильтры с разными спектральными характеристиками Ф(Δλ_i), на выходе которых образуются отдельные лучистые потоки F(Δλ_i), затем осуществляют операцию преобразования лучистого потока в спектрозональные сигналы ТВ изображений, путем формирования сигналов для правой стереопары в виде сигналов U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t), после чего осуществляют обработку сигналов ТВ изображений левой и правой стереопары, включающей усиление, коррекцию, преобразование и обработку сигналов в цифровой форме, а также суммирование сигналов ТВ изображений левой стереопары U_ΔλR(t), U_ΔλG(t), U_ΔλB(t) и правой стереопары U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t) с сигналами синхронизации, далее образованные сигналы используют для автоматического анализа информации на основе оценки распределения амплитудных значений сигналов в спектральном участке длин волн от λ₁ до λ_n, включающего видимую и инфракрасные области спектра, кроме того осуществляют выборку одного сигнала ТВ изображения правой стереопары U_Δλi(t), где i=1,2 или 3, после чего осуществляют отображение сигнала ТВ изображения правой стереопары U_Δλi(t), с использованием первого видеоконтрольного устройства в виде черно-белого ТВ изображения, а также отображают сигналы ТВ изображений левой стереопары U_ΔλR(t), U_ΔλG(t), U_ΔλB(t) в виде цветного ТВ изображения с использованием второго видеоконтрольного устройства для раздельного визуального восприятия изображений каждой стереопары правым и левым глазом наблюдателя.

Реализация предлагаемого способа позволяет выбрать такие информативные зоны регистрации, их ширину и местоположение в широком спектральном участке от λ₁ до λ_n, которые могут обеспечить повышение различимости объектов и увеличение различия возможных сочетаний объектов в оптических изображениях по спектрально-энергетическим признакам.

Система телевидения, реализующая предлагаемый способ наблюдения объектов, показана на фиг. 1.

Позиции:

1 - передающая камера;

2 - оптическая система (объектив);

3 - блок расщепления лучистого (светового) потока;

4 - оптические фильтры;

5 - матричные фотоприемники (преобразователи «свет-сигнал»);

6 - блок обработки сигналов;

7 - коммутатор сигналов;

8 - блок развертки и считывания сигналов;

9 - синхрогенератор;

10 - блок отображения изображений;

11 - пульт управления;

12 - блок автоматического анализа информации.

Передающая камера 1 содержит первую ТВ камеру 1₁ и вторую ТВ камеру 1₂, которые разнесены между собой по горизонтали на базисное расстояние B_o и осуществляют формирование сигналов изображений левой и правой стереопары. Каждая ТВ камера в своем составе имеет оптическую систему (объектив) 2 с переменным фокусным расстоянием, блок для расщепления входного лучистого потока F(λ) на несколько идентичных составляющих 3, оптические фильтры 4 с различными спектральными характеристиками Ф(Δλ_i), матричные фотоприемники (МФП) 5, блоки обработки сигналов (для усиления, коррекции сигналов, замешивания синхроимпульсов и др.) 6 для ТВ камеры, формирующей изображения левой стереопары 1₁ и ТВ камеры, формирующей изображение правой стереопары 1₂, коммутатор сигналов 7, общий блок развертки и считывания сигналов ТВ изображений 8, синхрогенератор 9, вырабатывающий необходимые виды управляющих, синхронизирующих и гасящих импульсов для МФП и блоков обработки сигналов (БОС).

В качестве МФП 5 могут быть использованы любые преобразователи «лучистый (световой) поток-сигнал» в виде известных передающих трубок (типа видикон), ПЗС матриц, КМОП фотоприемников или других преобразователей лучистого (светового) потока в электрический сигнал изображения.

Система телевидения реализующая предлагаемый способ наблюдения объектов работает следующим образом. Лучистый (световой) поток отраженный или излученный от объектов F(λ), пройдя объективы 2 первой и второй ТВ камеры 1₁ и 1₂ с помощью устройств 3 расщепляется на несколько идентичных лучистых потоков, которые пройдя оптические фильтры 4 с различными спектральными характеристиками для первой и второй ТВ камеры, образуют отдельные лучистые потоки F(Δλ_i) которые проецируются на рабочую поверхность МФП 5, на выходе которых образуются сигналы изображений ВИ и ИК областей спектра.

На передающей стороне формируют сигналы ТВ изображений левой стереопары, полученные путем регистрации лучистого потока в видимой области спектра. Для этого входной лучистый поток F(λ), отраженный от объектов наблюдения, пройдя объектив 2₁ первой ТВ камеры 1₁, расщепляется на одинаковые лучистые потоки с помощью блока 3₁, проходят ОФ 4₁, 4₂ и 4₃ где каждый световой поток соответствующий красной, зеленой и синей области спектра фокусируется на рабочую поверхности своего преобразователя «свет-сигнал» 5₁, 5₂, 5₃ и преобразуется в сигналы ТВ изображений левой стереопары и формируются в виде сигналов цветного телевидения U_ΔλR(t), U_ΔλG(t), U_ΔλB(t).

Для второй ТВ камеры 1₂ входной лучистый поток F(λ), отраженный или излученный от объектов наблюдения, пройдя оптическую систему 2₂, расщепляются на несколько идентичных потоков, которые пропускают через оптические фильтры (ОФ) 4₄, 4₅ и 4₆ с разными спектральными характеристиками Ф(Δλ_i), на выходе которых образуются отдельные лучистые потоки F(Δλ_i), затем осуществляют операцию преобразования образованных лучистых потоков в спектрозональные сигналы ТВ изображений и формируют их в виде сигналов U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t), на выходах МФП 5₄,5₅ и 5₆.

Далее, сформированные таким образом, сигналы ТВ изображений левой и правой стереопары поступают в блоки обработки сигналов 6₁,6₂,…, 6₆, где происходит их усиление, коррекция, замешивание синхроимпульсов, преобразование и обработка сигналов в цифровой форме и т.д. Полученные сигналы используются как для автоматического анализа информации, так и визуального восприятия изображений левой и правой стереопары.

Автоматический анализ информации осуществляется путем оценки распределения амплитудных значений сигналов в спектральном участке длин волн от λ₁ до λ_n, включающего ВИ и ИК области спектра, то есть групп сигналов U_ΔλR(t), U_ΔλG(t), U_ΔλB(t) и U_Δλ1(t), U_Δλ2(t), U_Δλ3(t) между собой в блоке 12. Выходной сигнал с блока 12 может быть использован для индикации, например в блоке отображающих устройств 10 или его подачи на внешнее исполнительное устройство.

Используя пульт управления 11 задают алгоритм работы блока 12, а также могут изменять спектральные характеристики ОФ 4₄, 4₅ и 4₆ в зависимости от их исполнения (механическим - за счет замены фильтров, или электронным путем).

С помощью коммутатора 7 осуществляют выборку из группы трех сигналов только одного сигнала ТВ изображения правой стереопары U_Δλi(t) и подают его на вход первого видеоконтрольного устройства (ВКУ) 10₁. Данный сигнал ТВ изображения отображают в черно-белом варианте для его восприятия правым глазом наблюдателя. Сигналы цветного телевидения U_ΔλR(t), U_ΔλG(t), U_ΔλB(t) с выхода блока обработки сигналов 6₁,6₂ и 6₃ поступают на входы RGB второго цветного ВКУ 10₂ и отображаются в цветном варианте для его восприятия левым глазом наблюдателя. Сигналы изображений U_Δλi(t) и U_ΔλR(t), U_ΔλG(t), U_ΔλB(t) могут подаваться и к внешним потребителям, например, для видеорегистрации, дальнейшей их передаче по каналу связи, приему и отображению информации на удаленной приемной стороне и др.

Сущность технического решения покажем на следующем примере. Так, например, отражающая способность светового потока от ряда природных фонов, таких как трава и листва деревьев, возрастает со смещением максимума излучений в область более длинных волн. Например, имеющаяся отражающая способность травы и листвы для ВИ области спектра, будет значительно выше в ближней ИК области спектра (>770 нм) приблизительно в 5-10 раз, для коры деревьев в 3-5 раз. Если человеческий глаз мог бы видеть в ближней ИК области спектра, то вся зеленая растительность имела бы красный цвет для зрительного восприятия человеком. Поэтому искусственные объекты, окрашенные зеленой краской для ВИ диапазона, будут хорошо наблюдаться на фоне травы и деревьев в ИК области спектра, поскольку они имеют меньшую отражательную способность.

Допустим, что спектрально-энергетические характеристики двух объектов (А) и (В) имеют свое распределение как показано на фиг. 2. Пусть объект А представляет собой растительность в виде травы, а В искусственный объект, покрашен в зеленый цвет. При регистрации светового потока с использованием черно-белых или цветных камер только в спектральном участке Δλ_o, что примерно соответствует длинам волн ВИ области спектра от 380 до 760 нм, объекты А и В не будут различаться между собой, поскольку их спектральные характеристики практически одинаковы, то есть отражательная способность светового потока ρ(λ) для двух объектов практически равна между собой.

Осуществляя наблюдение объектов в ВИ области спектра нельзя различить объекты между собой, поскольку искусственный объект окрашен под цвет растительности, и он не имеет различия по цвету. Для устранения пассивного противодействия необходимо выбрать дополнительно другую зону регистрации лучистого потока, в данном случае это Δλ₁ в ближней ИК области спектра. В этом случае спектральные характеристики объектов будут различаться между собой. Растительность будет иметь большую отражательную способность ρ(λ) по сравнению с искусственным объектом (фиг. 2).

Ниже в таблице 1 выделены некоторые решаемые задачи при реализации данного способа.

Очевидно, что использование ВИ и ИК областей спектра может противостоять методам окрашивания искусственных объектов. Для этого, например, в системах технического зрения роботов, левый глаз робота должен видеть в ВИ области спектра (Δλ_o), а правый глаз робота в ближней ИК области спектра (Δλ₁). Таким образом, использование разных зон регистрации лучистого (светового) потока, отраженных от объектов в системе технического зрения робота (для левого и правого глаза), позволит обнаруживать объекты, окрашенные под цвет растительности.

В зависимости от решаемой задачи (табл. 1) наблюдатель (оператор) выбирает с помощью коммутатора 7 (фиг. 1) тот или иной сигнал изображения U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) или U_Δλ3(t), которые могут включать отдельные узкие или широкие зоны - Δλ₁ для ближней инфракрасной области спектра (0,78-2,5 мкм), Δλ₂ для средней инфракрасной области спектра (3-5 мкм) и Δλ₃ для дальней инфракрасной области спектра (8-12 мкм) и последовательно отображает их на экране черно-белого ВКУ для достижения максимальной различимости объектов между собой по яркости изображения, при наблюдении объектов в условиях дымки или в ночное время и др.

Использование для формирования изображений левой стереопары RGB сигналов цветного телевидения позволяет наблюдать объекты в реальных цветах днем, с ухудшением качества цветных изображений при дымке, в сумерках или ночью, наблюдение объектов осуществляется в черно-белом варианте за счет использования изображений правой стереопары, формируемых путем регистрации лучистого потока в ИК области спектра.

Как показано в таблице 1 применение в системах визуального анализа изображений на основе бинокулярного восприятия информации левым и правым глазом человека или для систем технического зрения изображений разных спектральных участков (зон) регистрации лучистого (светового) потока по сравнению с использованием одинаковых изображений левой и правой стереопары черно-белых или цветных ТВ камер являются более мощными средствами для наблюдения объектов естественного и искусственного происхождения в дневное и ночное время суток.

Это достигается за счет использования для формирования изображений правой стереопары принципа регистрации лучистого (светового) потока в разных спектральных участках (зонах) по сравнению с использованием фиксированных участков (зон) регистрации для формирования RGB изображений левой стереопары. Применение рассмотренного способа наблюдения объектов при построении передающих камер системы разноспектрального телевидения, используемых для визуального анализа изображений или технического зрения позволит:

- повысить дальность наблюдения и увеличить вероятность распознавания за счет использования разных спектральных зон регистрации для формирования изображений правой и левой стереопар;

- более эффективно использовать свойства изображений для наблюдения одних объектов на фоне других в дневное и ночное время суток;

- осуществить построение систем технического зрения с разным спектральным зрением.

Цитированные источники

1. Джакония В.Е. Вещательные системы стереоцветного телевидения / Учеб. пособие. -Л.: Изд. ЛЭИС, 1979. - 51 с.

2. Мамчев Г.В. Стереотелевизионные устройства отображения информации. - М.: Радио и связь. 1983. - 96 с.

3. Сагдуллаев Т.Ю., Сагдуллаев Ю.С. К вопросу выбора зон регистрации в спектрозональном телевидении. Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2011, вып. 2, С. 3-25

4. Ковин С.Д., Сагдуллаев В.Ю., Сагдуллаев Ю.С. Системы многоракурсного телевидения. М.: "Спутник+", 2014. - 184 с.

5. Сагдуллаев Ю.С., Ковин С.Д. Восприятие и анализ разноспектральных изображений. М.: "Спутник+", 2016. - 251 с.

6. Сагдуллаев Т.Ю. Особенности построения систем объемного спектрозонального телевидения / Т-СОММ-Телекоммуникации и транспорт, М., 2010 г., №9, С. 69-71

7. Сагдуллаев Ю.С. Системы спектрозонального объемного телевидения и их особенности // Broadcasting. Телевидение и радиовещание. М.: 2014 г., №6, С. 34-39

8. Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Т.Ю., Сагдуллаев Ю.С, Безруков В.Н. Способ формирования сигналов объемного спектрозонального телевидения / Заявка в Роспатент от 13 января 2009 г, №2009100622. Положительное решение о выдаче патента от 03.03.2010 г.

9. Телевидение: Учебник для вузов / В.Е. Джакония, А.А. Гоголь, Я.В. Друзин и др.: Под ред. В. Е. Джаконии. - М.: Радио и связь, 2004. - (с. 569- 573)

Изобретение относится к области формирования изображений с использованием систем и устройств объемного телевидения и может найти использовано в робототехнике, системах технического зрения, для наблюдения и распознавания объектов в дневное и ночное время. Технический результат - обеспечение увеличения различимости различных сочетаний объектов многокомпонентных оптических изображений по спектрально-энергетическим и пространственным признакам в ТВ изображениях. Технический результат достигается за счет увеличения общего числа зон регистрации лучистого потока, отраженного или излученного от объектов, путем использования для формирования изображений правой стереопары зон регистрации, включающих ближнюю, среднюю и дальнюю ИК области спектра, а для формирования изображений левой стереопары зон регистрации лучистого потока в видимой RGB области спектра. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ наблюдения объектов, включающий на передающей стороне операции формирования телевизионных (ТВ) сигналов изображений наблюдаемых объектов в виде ТВ изображений левой и правой стереопары с помощью разнесенных между собой на некоторое базисное расстояние B_o первой и второй передающих ТВ камер, в каждой из которых входной лучистый поток F(λ), отраженный от объектов наблюдения, пройдя объектив первой и второй ТВ камеры, расщепляется на одинаковые лучистые потоки, где каждый лучистый поток фокусируется на рабочей поверхности своего преобразователя «свет-сигнал» и преобразуется в сигналы ТВ изображений левой и правой стереопары, где сигналы ТВ изображений для левой стереопары формируются в виде сигналов цветного телевидения U_ΔλR(t), U_ΔλG(t), U_ΔλB(t), далее сигналы изображений левой и правой стереопары усиливают, смешивают с синхронизирующими сигналами и отображают их на экране левого и правого видеоконтрольных устройств для визуального восприятия изображений наблюдателем, отличающийся тем, что на передающей стороне формируют сигналы ТВ изображений левой стереопары путем регистрации лучистого потока только в видимой области спектра, а сигналы ТВ изображений правой стереопары формируют путем регистрации лучистого потока в разных зонах оптического спектра Δλ_i за счет использования во второй ТВ камере неодинаковых зон регистрации лучистого потока Δλ_i внутри широкого спектрального участка с длиной волны от λ₁ до λ_n, для чего входной лучистый поток F(λ) во второй ТВ камере расщепляют на несколько идентичных потоков и пропускают через оптические фильтры с разными спектральными характеристиками Ф(Δλ_i), на выходе которых образуются отдельные лучистые потоки F(Δλ_i), затем осуществляют операцию преобразования лучистого потока в спектрозональные сигналы ТВ изображений путем формирования сигналов для правой стереопары в виде сигналов U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t), после чего осуществляют обработку сигналов ТВ изображений левой и правой стереопар, включающей усиление, коррекцию, преобразование и обработку сигналов в цифровой форме, а также суммирование сигналов ТВ изображений левой стереопары U_ΔλR(t), U_ΔλG(t), U_ΔλB(t) и правой стереопары U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t) сигналами синхронизации, далее образованные сигналы используют для автоматического анализа информации на основе оценки распределения амплитудных значений сигналов в спектральном участке длин волн от λ₁ до λ_n, включающем видимую и инфракрасные области спектра, кроме того, осуществляют выборку одного сигнала ТВ изображения правой стереопары UΔλ_i(t), где i=1,2 или 3, после чего осуществляют отображение сигнала ТВ изображения правой стереопары U_Δλi(t) с использованием первого видеоконтрольного устройства в виде черно-белого ТВ изображения, а также отображают сигналы ТВ изображений левой стереопары U_ΔλR(t), U_ΔλG(t), U_ΔλB(t) в виде цветного ТВ изображения с использованием второго видеоконтрольного устройства для раздельного визуального восприятия изображений каждой стереопары правым и левым глазом наблюдателя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что спектральные характеристики оптических фильтров Ф(Δλ_i) для второй ТВ камеры могут иметь различную форму, ширину зон регистрации и расположение в спектральном участке от λ₁ до λ_n, которые могут включать отдельные узкие или широкие зоны - Δλ₁ для ближней инфракрасной области спектра (0,78-2,5 мкм), Δλ₂ для средней инфракрасной области спектра (3-5 мкм) и Δλ₃ для дальней инфракрасной области спектра (8-12 мкм).