Способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов Российский патент 2020 года по МПК H04N7/18 

Изобретение относится к области спектрозонального телевидения, использующего регистрацию отраженного или излученного потока з нескольких зонах оптического спектра.

Известен способ формирования спектрозональных телевизионных сигналов, описанный в статье Ю.Б. Зубарева, Ю.С. Сагдуллаева, Т.Ю. Сагдуллаева «Спектрозональные методы и системы в космическом телевидении», журнал «Вопросы радиоэлектроники», серия «Техника телевидения», вып. 1, 2009 г., с. 47-64, заключающийся в получении электрических сигналов U₁, U₂ … U_n для соответствующих элементов спектрозональных изображений, пропорциональных яркости света в каждом из n световых потоков, выделяемых оптическим путем в соответствующих узких зонах регистрации Δλ₁, Δλ₂, … Δλ_n.

Недостатком данного способа является сложность в реализации из-за необходимости применения дорогостоящих узкополосных интерференционных фильтров.

Известен способ формирования спектрозональных видеосигналов. Данный способ включает в себя регистрацию отраженного или излученного потока в нескольких зонах оптического спектра. При этом после расщепления входного лучистого потока на два идентичных потока, каждый из них пропускают через широкополосные оптические фильтры ОФ1 и ОФ2. Причем спектральная характеристика первого ОФ1 охватывает широкий спектральный участок от λ₁ до λ_i, а спектральная характеристика второго ОФ2 охватывает широкий спектральный участок от λ₁ до λ_i+1, которые удовлетворяют условию по ширине зоны регистрации в виде (λ_i+1-λ₁)>(λ_i-λ₁). Затем преобразуют лучистые потоки и осуществляют формирование двух спектрозональных видеосигналов U₁(λ) и U₂(λ). Выполняют операцию вычитания первого зонального сигнала из второго и формируют амплитудные значения третьего зонального сигнала U₃(λ), которые соответствуют более узкой зоне регистрации (λ_i+1-λ_i). После чего обрабатывают полученные спектрозональные видеосигналы и анализируют их (пат. RU №2604898, от 26.06.2015).

Недостатком рассмотренного способа является необходимость расщепления входного лучистого потока на два идентичных потока, что приводит к уменьшению светового потока в спектрозональных каналах и, как следствие к уменьшению чувствительности системы.

Известен способ формирования спектрозональных телевизионных сигналов, описанный в работе Ю.С. Сагдуллаева и Т.Ю. Сагдуллаева «К вопросу выбора зон регистрации в спектрозональном телевидении». // Вопросы радиоэлектроники, серия Техника телевидения, вып. 2, 2011 г., 20 с.

Данный способ позволяет использовать недорогие стандартные цветные оптические светофильтры, имеющие расширенные зоны регистрации при спектральных характеристиках, достаточно близких к прямоугольным. К таким стандартным оптическим светофильтрам относятся, например, цветные стекла типа ЖС, ОС, КС, имеющие крутой перепад спектральной характеристики, соответственно, в желтой, оранжевой и красной областях спектра.

По данному способу формирование спектрозональных телевизионных сигналов по известному способу сводится к следующему. Из светового потока в общем спектральном интервале λ₁÷λ_макс оптическим путем выделяют n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ₁÷λ_макс., λ₂÷λ_макс., …, λ_n÷λ_макс., где λ₁<λ₂ … <λ_n<λ_макс., затем формируют электрические сигналы, пропорциональные яркости света в элементах спектрозональных изображений, и получают соответствующие цифровые коды U₁, U₂ … U_n, из которых формируют разностные выходные цифровые коды U_вых1=U₁-U₂, U_вых2=U₂-U₃, …, U_{вых n}=U_n-1-U_n, соответствующие узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ₃, …, λ_n-1÷λ_n.

Недостатком данного способа является низкая точность, поскольку при взаимном вычитании цифровых кодов форма выходного сигнала искажается. В случае, если вычитаемое больше уменьшаемого, то получаемая отрицательная разность для отсчета яркости не имеет физического смысла. В этом случае в качестве результата берется либо модуль яркости, либо результирующему (выходному) отсчету яркости присваивается нулевое значение. Сохранение формы выходного сигнала, в данном случае, должно проявляться в изменении его полярности, что отсутствует при реализации данного способа.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, является принятый за прототип способ, описанный в патенте №2679921 RU, МПК H04N 7/18. Способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов / Калитов М.А., Корнышев Н.П. /Заявл. 28.04.2018; опубл. 14.02.2019. - 2019. - Бюл. 5.

По данному способу формирование цифровых спектрозональных телевизионных сигналов осуществляется выделением оптическим путем из светового потока в общем λ₁÷λ_макс. спектральном интервале (n-1) спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ₁÷λ_макс., λ₂÷λ_макс., …, λ_n÷λ_макс., где λ₁<λ₂ … <λ_n<λ_макс., формированием электрических сигналов, пропорциональных яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразованием их в соответствующие цифровые коды U₁, U₂ … U_n, вычислением разности цифровых кодов U_вых1=U₁-U₂, U_вых2=U₂-U₃, …, U_{вых n-1}=U_n-1-U_n и формированием выходных кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующих узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ₃, …, λ_n-1÷λ_n, в соответствии с выражениями …, где U_макс. максимально возможное значение цифрового кода.

Недостатком данного способа является низкая контрастность получаемого изображения, а, следовательно, и низкая точность, поскольку разности цифровых кодов U_вых1=U₁-U₂, U_вых2=U₂-U₃, …, U_{вых n-1}=U_n-1-U_n имеют весьма малый размах по сравнению с динамическим диапазоном возможного изменения сигнала.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение контрастности изображения, получаемого при формировании цифровых спектрозональных телевизионных сигналов.

Технический результат заявляемого технического решения выражен в повышении контрастности изображения, получаемого при формировании цифровых спектрозональных телевизионных сигналов за счет существенного увеличения размаха выходного сигнала.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, включающего выделение оптическим путем из светового потока в общем λ₁÷λ_макс. спектральном интервале n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ₁÷λ_макс., λ₂÷λ_макс., … λ_n÷λ_макс., где λ₁<λ₂ … <λ_n<λ_макс., формировании электрических сигналов, пропорциональных яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразовании их в соответствующие цифровые коды U₁, U₂ … U_n и вычислении выходных цифровых кодов U_вых1=ƒ(U₁;U₂;U_макс.), U_вых2=ƒ(U₂;U₃;U_макс.), …, U_{вых n-1}=ƒ(U_n-1;U_n;U_макс.), где U_макс. максимально возможное значение цифровых кодов U₁, U₂ … U_n, согласно изобретению первоначально коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ₃, …, λ_n-1÷λ_n, вычисляют по формулам или по формулам … затем определяют максимальные значения соответствующих вычисленных цифровых кодов а выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ₃, …, λ_n-1÷λ_n, формируют в соответствии с выражениями …

Для достижения указанного выше технического результата предложен способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, включающий выделение оптическим путем из светового потока в общем λ₁÷λ_макс. спектральном интервале n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ₁÷λ_макс., λ₂÷λ_макс., …, λ_n÷λ_макс., где λ₁<λ₂ … λ_n<λ_макс., формирование электрических сигналов, пропорциональных яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразование их в соответствующие цифровые коды U₁, U₂ … U_n и вычисление цифровых кодов U_вых1=ƒ(U₁;U₂;U_макс.), U_вых2=ƒ(U₂;U₃;U_макс.), … U_{вых n-1}=ƒ(U_n-1;U_n;U_макс.), где U_макс. максимально возможное значение цифровых кодов U₁, U₂ … U_n, коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ₃, …, λ_n-1÷λ_n, вычисляют по формулам … или по формулам … , определяют максимальные значения … соответствующих вычисленных цифровых кодов … а выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ₃, …, λ_n-1÷λ_n, формируют в соответствии с выражениями …

В качестве примера на фиг. 1 показана спектрозональная телевизионная система, реализующая предлагаемый способ, где:

1 - объектив;

2 - линейка светофильтров;

3 - телевизионная камера;

4 - устройство видеозаписи;

5 - компьютер.

Объектив 1 и линейка 2 светофильтров, оптически связаны с телевизионной камерой 3, последовательно подключенной к устройству видеозаписи 4 и компьютеру 5.

Способ осуществляется следующим образом. Световой поток в общем спектральном интервале λ₁÷λ_макс. проходит через объектив 1, в заднем рабочем отрезке которого размещается линейка 2 стандартных светофильтров типа ЖС, ОС, КС. В простейшем случае линейку 2 светофильтров в заднем рабочем отрезке объектива перемещают вручную, последовательно устанавливая перед фотоприемником телевизионной камеры 3 светофильтры, выделяющие спектрозональные световые потоки в интервалах длин волн λ₁÷λ_макс., λ₂÷λ_макс., …, λ_n÷λ_макс., где λ₁<λ₂ … <λ_n<λ_макс.

Каждое получаемое спектрозональное оптическое изображение последовательно преобразуется телевизионной камерой 3 в электрический сигнал, который в свою очередь преобразуется в цифровую форму стандартным устройством 4 видеозаписи и последовательно вводится в компьютер 5. Введенные в компьютер исходные цифровые коды элементов спектрозональных изображений цифровые коды U₁, U₂ … U_n обрабатываются программным путем с целью получения произведений цифровых кодов … или … где U_макс. максимально возможное значение цифровых кодов U₁, U₂ … U_n. Затем определяют максимальные значения …, соответствующих вычисленных цифровых кодов …, и, формируют выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ₃, …, λ_n-1÷λ_n, в соответствии с выражениями … . Выходные коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов используют для их отображения на экране дисплея компьютера.

В качестве примера на фиг. 2 показаны спектральные характеристики стандартных светофильтров ЖС4, ЖС18, КС11 и КС19 для расширенных спектральных интервалов λ₁÷λ_макс., λ₂÷λ_макс., …, λ_n÷λ_макс. в общем диапазоне длин волн λ₁÷λ_макс., при помощи которых формируются исходные световые потоки, преобразуемые цифровые коды U₁, U₂, U₃, U₄ пропорциональные яркости для соответствующих элементов исходных спектрозональных телевизионных изображений представленных на фиг. 3 (а, б, в, г).

На фиг. 4 показаны примеры результирующих изображений, получаемые по способу-прототипу (фиг. 4а) и по заявляемому способу (фиг. 4б). Изображение, полученное по способу-прототипу (фиг. 4а) имеет низкую контрастность. Контрастность изображения, полученного по заявляемому способу (фиг. 4б), визуально существенно выше. Количественное сравнение разностей максимальных и минимальных значений цифровых кодов, полученных по способу-прототипу и по заявляемому способу при обработке изображений, приведенных на фиг. 3а, 3б, 3в и 3г, показано на фиг. 5. Как видно из приведенных на фиг. 5 сравнительных диаграмм, заявляемый способ обеспечивает повышение контрастности изображений не менее чем в 1,5 раза.

Спектрозональные изображения для исследуемого объекта могут быть получены путем последовательной съемки стандартной телевизионной камерой через стандартные светофильтры типа ЖС, ОС или КС с фиксацией в компьютере через стандартное устройство видеозаписи типа AverEZCapture фирмы AverMedia, подключаемое PCI- шине компьютера. Результирующее изображение может быть получено путем программирования в среде стандартного пакета MATLAB или путем создания специализированной программы в среде С++.

Изобретение относится к области спектрозонального телевидения, использующего регистрацию отраженного или излученного потока в нескольких зонах области оптического спектра. Технический результат заключается в повышении контрастности цифровых спектрозональных телевизионных сигналов. Результат достигается тем, что выделяют оптическим путем из светового потока в общем λ₁÷λ_макс. спектральном интервале n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ₁÷λ_макс., λ₂÷λ_макс, …, λ_n÷λ_макс, где λ₁<λ₂ … <λ_n<λ_макс., формируют электрические сигналы, пропорциональные яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразуют их в соответствующие цифровые коды U₁, U₂ …U_n и вычисляют цифровые коды U_{вых 1}=f(U₁;U₂;U_макс.), U_{вых 2}=f(U₂;U₃;U_макс), …, U_{вых n-1}=f(U_n-1;U_n;U_макс), где U_макс - максимально возможное значение цифровых кодов U₁, U₂ … U_n. Коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ_з, … λ_n-1÷λ_n, вычисляют по формулам или по формулам , определяют максимальные значения … соответствующих вычисленных цифровых кодов … а выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ_з, … λ_n-1÷λ_n, формируют в соответствии с выражениями таким образом, повышение контрастности цифровых спектрозональных телевизионных сигналов достигается за счет перемножения цифровых кодов и их последующей нормировки. 5 ил.

Способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, включающий выделение оптическим путем из светового потока в общем λ₁÷λ_макс. спектральном интервале n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ₁÷λ_макс., λ₂÷λ_макс., …, λ_n÷λ_макс., где λ₁<λ₂ … <λ_n<λ_макс., формирование электрических сигналов, пропорциональных яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразование их в соответствующие цифровые коды U₁, U₂ … U_n и вычисление цифровых кодов U_вых1=ƒ(U₁;U₂;U_макс.), U_вых2=ƒ(U₂;U₃;U_макс.), … U_{вых n-1}=ƒ(U_n-1;U_n;U_макс.), где U_макс. - максимально возможное значение цифровых кодов U₁, U₂ … U_n, отличающийся тем, что коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ₃, …, λ_n-1÷λ_n, вычисляют по формулам … ] или по формулам … ], определяют максимальные значения , соответствующих вычисленных цифровых кодов … , а выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ₃, …, λ_n-1÷λ_n, формируют в соответствии с выражениями …