Способ формирования сигналов разноспектральных изображений Российский патент 2022 года по МПК H04N7/18 

Настоящее изобретение относится к области прикладного телевидения и может найти применение для видеонаблюдения и контроля объектов окружающего пространства. Оно предусматривает совместное формирование телевизионных и тепловизионных изображений путем регистрации и преобразования лучистого потока видимой, ближней и тепловой инфракрасной (ИК) областей спектра электромагнитных волн в сигналы изображений (Определим здесь такую область спектра электромагнитных волн как широкий спектральный интервал длин волн). Заявляемое изобретение может быть использовано в обзорно-пилотажных системах летательных аппаратов, в системах технического зрения, для решения различных задач распознавания и идентификации объектов многокомпонентных изображений.

Для наблюдения объектов земной поверхности с летательных аппаратов (ЛА) используют различные типы оптико-электронных и телевизионных (ТВ) систем. Они осуществляют регистрацию лучистого (светового) потока внутри широкого спектрального интервала длин волн. При этом, регистрация отраженного лучистого (светового) потока происходит обычно в спектральном участке длин волн от 0,25 до 2,5 мкм, а излученного лучистого потока в спектральном участке от 3,5 до 12,0 мкм. Диапазон 3,5-5,0 мкм характерен для регистрации излученного потока при пожарах, а 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 [1, 2].

Принципы раздельного формирования видеосигналов с помощью отдельных черно-белых, цветных и спектрозональных ТВ камер, а также с использованием тепловизионных (ТПВ) камер для визуального анализа изображений объектов нашли должное отражение в литературе [2-4].

Для формирования черно-белых и цветных ТВ изображений используется регистрация светового потока в видимой 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 ультрафиолетовой (УФ), видимой (ВИ) и ближней инфракрасной (ИК₁) областей спектра [6-8]. Информативность таких изображений может быть значительно выше (в десятки раз) по сравнению с цветными 7?GZ? изображениями, и особенно при различении объектов земной поверхности, имеющих одинаковые пространственные признаки (по форме, размеру и т.д.) [3].

ТВ наблюдение объектов в ночное время суток, можно осуществлять путем регистрации лучистого потока в тепловой части инфракрасной области спектра в спектральных участках 3-5 мкм и 8-12 мкм [4]. На сегодня существуют большой класс устройств тепловидения, в которых для регистрации излученного лучистого потока от объектов используют матричные фотоприемники, 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.

Принцип построения систем вещательного телевидения с цифровой обработкой сигналов показан в работах [1, 5]. На основе трех аналоговых ТВ сигналов основных цветов U_R, U_G, U_B, получаемых путем регистрации светового потока в ВИ области спектра, осуществляют формирование одного яркостного U'_Y и двух цветоразностных сигналов U'_R-Y и U'_B-Y. Далее осуществляют их преобразование в цифровую форму, путем выполнения операций их аналогово-цифрового преобразования, мультиплексирование цифрового сигнала яркости и двух цветоразностных сигналов, а также отдельно сформированных цифровых синхросигналов для их последующей передачи по каналу связи в последовательном коде. В приемной части ТВ системы - осуществляются обратные операции преобразования сигналов с формированием исходных аналоговых ТВ сигналов U_R, U_G, U_B и сигналов синхронизации. Далее, получаемые сигналы отображаются на экране ТВ приемника [5].

В качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения по совокупности признаков и операций над сигналами принят «Способ формирования и отображения цветных, спектрозональных и тепловизионных изображений» [10] по патенту РФ №2546982.

Суть способа сводится к следующему. Для формирования и отображения сигналов цветных, спектрозональных и тепловизионных изображений предусматривается регистрация лучистого потока внутри широкого спектрального интервала длин волн, для чего лучистый поток пропускают через первый объектив, затем осуществляют его расщепление на два идентичных входных лучистых потока F_вх(λ) (Здесь и далее обозначим F(λ) с различными индексами буквы F функцию лучистого (светового) потока в зависимости от длины волны λ). После расщепления входного лучистого потока на два идентичных потока, их пропускают через два оптических фильтра, первый из которых имеет спектральную характеристику, охватывающую спектральный участок в ВИ области спектра от 0,38 до 0,76 мкм и на выходе первого оптического фильтра (ОФ₁) образуют лучистый поток F₁(λ), а спектральная характеристика второго оптического фильтра (ОФ₂) охватывает спектральный участок в ВИ и ИК₁ областях спектра от 0,38 до 2,5 мкм и на выходе второго оптического фильтра образуют лучистый поток F₂(Х).

Далее, первый лучистый поток F₁(λ) проецируют на рабочую поверхность первого многосигнального преобразователя «лучистый поток-сигнал», имеющий на рабочей поверхности своего матричного фотоприемника мозаичные цветные фильтры вида RGB, соответствующие зонам регистрации светового потока в красной (R), зеленой (G) и синей (B) области ВИ области спектра, затем световые потоки F_R(λ), F_G(λ) и F_B(λ) преобразуют в видеосигналы цветного телевидения U_R(t), U_G(t) и U_B(t).

Второй лучистый поток F₂(λ) проецируют на второй многосигнальный преобразователь «лучистый поток-сигнал», имеющий на рабочей поверхности матричного фотоприемника мозаичные спектрозональные оптические фильтры со своей спектральной характеристикой, соответствующие выбранным зонам регистрации Δλ₁ Δλ₂ и Δλ₃ лучистого потока в ВИ и ИК₁ области спектра, где после оптических фильтров лучистые потоки F(Δλ₁), F(Δ₂) и F(Δλ₃) преобразуют в видеосигналы спектрозонального телевидения U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ2(t).

Кроме того, дополнительно организуется третий канал, внутри широкого спектрального интервала длин волн, для чего входной лучистый поток F(λ) пропускают через отдельный ИК объектив, спектральная характеристика которого охватывает тепловой участок ИК области спектра, и образуют лучистый поток F₃(λ), который проецируют на третий двухсигнальный преобразователь «лучистый поток-сигнал» и преобразуют его в видеосигналы тепловидения U_Δλ4(t) и U_Δλ5(t), соответствующие зонам регистрации Δλ₄=3-5 мкм и Δλ₅=8-12 мкм теплового участка ИК₂ и ИК₃ областей спектра соответственно.

Полученные группы видеосигналов усиливают, преобразуют аналоговые сигналы в цифровые, осуществляют цифровую апертурную и гамма-коррекцию и другие виды обработки видеосигналов, направленные на улучшение качества изображений, затем цифровые видеосигналы цветного телевидения и спектрозонального телевидения и и тепловидения и (верхний индекс добавлен для характеристики видеосигнала, как цифрового) используют для их совместной обработки, путем применения, например, операций деления, вычитания или суммирования видеосигналов между собой, замены части изображения одного видеосигнала частью изображения другого, изменения полярности видеосигналов, разделения видеосигналов на низкочастотную и высокочастотную составляющие и выполняют другие операции, далее исходные и вновь сформированные видеосигналы одновременно или последовательно отображают на экране видеоконтрольных устройств для визуального восприятия изображений, а также используют сформированные видеосигналы для автоматического анализа видеоинформации.

Недостатком рассмотренного способа является то, что входной лучистый поток, который отражается от наблюдаемых объектов в ВИ и ИК₁ областях спектра, проецирует на рабочую поверхность матричных фотоприемников (МФП) через первый объектив, а излученный поток в тепловой средней и дальней ИК областях спектра пропускают через другой объектив. То, есть для этих целей, используют два отдельных объектива.

За счет того, что центр оптической оси этих объективов будет разнесен в пространстве на величину ΔX, то расположение изображений объектов в формируемых изображениях ВИ и тепловой ИК областей спектра будет также смещено между собой на некоторую величину Δx. При осуществлении операции объединения изображений, это обстоятельство не позволяет обеспечить точное совмещение нескольких отдельных изображений в синтезированном едином изображении, и будет ухудшать качество визуального анализа и восприятия объектов в результирующих изображениях и не обеспечит достоверное выполнение операций по автоматическому анализу объектов.

Технический результат заявляемого способа - повышение точности пространственного совмещения отдельных разноспектральных изображений в едином результирующем изображении и улучшение качества визуального и автоматического анализа изображений на основе информации разных зон регистрации лучистого потока, отраженного и излученного от объектов.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа формирования и отображения цветных, спектрозональных и тепловизионных изображений, включающего регистрацию входного лучистого потока F(λ) внутри широкого спектрального интервала длин волн, образовании из него трех отдельных лучистых потоков F₁(λ), F₂(λ) и F₃(λ), формирование в первом оптико-электронном канале на основе лучистого потока F₁(λ) видимой области спектра видеосигналов цветного телевидения U_R(t), U_G(t) и U_B(t), формирование во втором оптико-электронном канале на основе лучистого потока F₂(λ) ВИ и ближней ИК областей спектра видеосигналов спектрозонального телевидения U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t), формирование в третьем оптико-электронном канале на основе лучистого потока F₃(λ) тепловой ИК области спектра видеосигналов тепловидения U_Δλ4(t) и U_Δλ5(t), в заявляемом способе регистрацию входного лучистого потока F(λ) отраженного и излученного от объектов наблюдаемого пространства и его проекции на рабочую поверхность МФП для преобразования лучистого потока в сигналы разноспектральных изображений осуществляют с использованием одного зеркально-линзового объектива, обеспечивающего пропускание лучистого потока для наблюдения одного и того же объекта в двух и более спектральных участках внутри широкого спектрального интервала длин волн, для чего сформированный на первом выходе зеркально-линзового объектива лучистый поток первого спектрального участка расщепляют на два одинаковых потока и пропускают через два оптических фильтра, первый из которых имеет спектральную характеристику, охватывающую спектральный участок ВИ области спектра от 0,38 до 0,76 мкм и на выходе первого оптического фильтра образуют лучистый поток F₁(λ), а спектральная характеристика второго оптического фильтра охватывает спектральный участок в ВИ и ближней ИК₁ областях спектра от 0,38 до 2,5 мкм и на выходе второго оптического фильтра образуют лучистый поток F₂(λ), затем осуществляют проекцию первого потока F₁(λ) на первый многосигнальный преобразователь «лучистый (световой) поток-сигнал», имеющий на рабочей поверхности МФП мозаичные цветные фильтры вида RGB соответствующие зонам регистрации светового потока в красном (R), зеленом (G) и синем (В) участкам ВИ области спектра и преобразуют их в видеосигналы цветного телевидения U_R(t), U_G(t) и U_B(t), а второй лучистый поток F₂(λ) проецируют на второй многосигнальный преобразователь «лучистый поток-сигнал» имеющий на рабочей поверхности своего МФП мозаичные оптические фильтры со спектральной характеристикой, соответствующие выбранным зонам регистрации Δλ₁ Δλ₂ и Δλ₃ лучистого потока внутри ВИ и ближней ИК областей спектра с длиной волны от 0,38-2,5 мкм и преобразуют во времени в видеосигналы спектрозонального телевидения U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t). Сформированный на втором выходе зеркально-линзового объектива лучистый поток второго спектрального участка проецируют через третий оптический фильтр (ОФ₃) на третий двухсигнальный преобразователь «лучистый поток-сигнал» и преобразуют лучистый поток F₃(λ) в видеосигналы тепловидения U_Δλ4(t) и U_Δλ5(t), соответствующие зонам регистрации Δλ₄=3-5 мкм и Δλ₅=8-12 мкм теплового участка ИК₂ и ИК₃ областей спектра, после чего полученные группы видеосигналов для первого, второго и третьего оптико-электронных каналов усиливают, преобразуют аналоговые видеосигналы в цифровые, осуществляют цифровую апертурную и гамма-коррекцию и другие виды обработки видеосигналов, направленные на улучшение качества изображений, затем цифровые видеосигналы цветного телевидения и спектрозонального телевидения и и тепловидения и используют для совместной их обработки, для чего осуществляют операции деления, вычитания или суммирования видеосигналов между собой, замены части изображения одного видеосигнала частью изображения другого, изменения полярности видеосигналов, разделения видеосигналов на низкочастотную и высокочастотную составляющие и выполняют другие операции, связанные с повышением информативности наблюдаемых изображений, далее исходные и вновь сформированные видеосигналы параллельно или последовательно отображают на экране видеоконтрольных устройств для визуального восприятия изображений, а также используют полученные видеосигналы для автоматического анализа видеоинформации и формирования измерительных сигналов управления.

Осуществление регистрации входного лучистого потока F(λ), отраженного и излученного от объектов наблюдаемого пространства и его проекции на МФП для преобразования лучистого потока в сигналы разноспектральных изображений с использованием зеркально-линзового объектива, обеспечивающего пропускание лучистого потока для наблюдения одного и того же объекта в двух и более спектральных участках внутри широкого спектрального интервала длин волн, позволяет обеспечить пространственное совмещение отдельных разноспектральных изображений, что способствует повышению качества наблюдения и анализа объектов в наблюдаемом пространстве, а также, например, уменьшению погрешности при измерении координат объектов.

Для достижения указанного результата, предлагается способ формирования сигналов разноспектральных изображений, включающий регистрацию входного лучистого потока F(λ) внутри широкого спектрального интервала длин волн от λ₁ до λ_n, образовании из него трех отдельных лучистых потоков F₁(λ), F₂(λ) и F₃(λ), формирование в первом оптико-электронном канале на основе лучистого потока F₁(λ) ВИ области спектра видеосигналов цветного телевидения U_R(t), U_G(t) и U_B(t), формирование во втором оптико-электронном канале на основе лучистого потока F₂(λ) ВИ и ближней ИК областей спектра видеосигналов спектрозонального телевидения U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t), формирование в третьем оптико-электронном канале на основе лучистого потока F₃(λ) тепловой ИК области спектра видеосигналов тепловидения U_Δλ4(t) и U_Δλ5(t), отличающий тем, что регистрацию входного лучистого потока F(λ) отраженного и излученного от объектов наблюдаемого пространства и его проекции на рабочую поверхность МФП для преобразования лучистого потока в сигналы разноспектральных изображений осуществляют с использованием зеркально-линзового объектива, обеспечивающего пропускание лучистого потока для наблюдения одного и того же объекта в двух и более спектральных участках внутри широкого спектрального интервала длин волн, для чего сформированный на первом выходе зеркально-линзового объектива лучистый поток первого спектрального участка расщепляют на два одинаковых потока и пропускают через два оптических фильтра, первый из которых имеет спектральную характеристику, охватывающую спектральный участок ВИ области спектра от 0,38 до 0,76 мкм и на выходе первого фильтра образуют лучистый поток F₁(λ), а спектральная характеристика второго оптического фильтра охватывает спектральный участок в ВИ и ближней ИК областях спектра от 0,38 до 2,5 мкм и на выходе второго оптического фильтра образуют лучистый поток F₂(λ), затем осуществляют проекцию первого потока F₁(λ) на первый многосигнальный преобразователь «лучистый (световой) поток-сигнал», имеющий на рабочей поверхности МФП мозаичные цветные фильтры вида RGB соответствующие зонам регистрации светового потока в красном (R), зеленом (G) и синем (B) участкам видимой области спектра и преобразуют их в видеосигналы цветного телевидения U_R(t), U_G(t) и U_B(t), а второй лучистый поток F₂(λ) проецируют на второй многосигнальный преобразователь «лучистый поток-сигнал» имеющий на рабочей поверхности своего МФП мозаичные оптические фильтры со спектральной характеристикой, соответствующие выбранным зонам регистрации Δλ₁ Δλ₂ и Δλ₃ лучистого потока внутри ВИ и ближней ИК областей спектра с длиной волны от 0,38-2,5 мкм и преобразуют во времени в видеосигналы спектрозонального телевидения U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t), кроме того, сформированный на втором выходе зеркально-линзового объектива лучистый поток второго спектрального участка проецируют через ОФ₃ на третий двухсигнальный преобразователь «лучистый поток-сигнал» и преобразуют лучистый поток F₃(λ) в видеосигналы тепловидения U_Δλ4(t) и U_Δλ5(t), соответствующие зонам регистрации Δλ₄=3-5 мкм и Δλ₅=8-12 мкм теплового участка ИК₂ и ИК₃ областей спектра, после чего полученные группы видеосигналов для первого, второго и третьего оптико-электронных каналов усиливают, преобразуют аналоговые видеосигналы в цифровые, осуществляют цифровую апертурную и гамма-коррекцию и другие виды обработки видеосигналов, направленные на улучшение качества изображений, затем цифровые видеосигналы цветного телевидения и спектрозонального телевидения и тепловидения и используют для совместной их обработки, для чего осуществляют операции деления, вычитания или суммирования видеосигналов между собой, замены части изображения одного видеосигнала частью изображения другого, изменения полярности видеосигналов, разделения видеосигналов на низкочастотную и высокочастотную составляющие и выполняют другие операции, связанные с повышением информативности наблюдаемых изображений, далее исходные и вновь сформированные видеосигналы параллельно или последовательно отображают на экране видеоконтрольных устройств для визуального восприятия изображений, а также используют полученные видеосигналы для автоматического анализа видеоинформации и формирования измерительных сигналов управления.

Таким образом, для видеонаблюдения объектов с использованием двухканальных и многоканальных ТВ/ТПВ систем можно использовать три диапазона длин волн регистрации лучистого потока. Первый - включает регистрацию отраженного лучистого потока от ВИ области спектра, второй от ВИ и ближней ИК₁ областей спектра, а третий - включает регистрацию в дневное время суток частично отраженного лучистого потока в ИК₂ области спектра и собственного теплового излучения объектов от ИК₂ и ИК₃ областей спектра при плохих условиях видимости или в ночное время суток.

Использование предлагаемого способа регистрации лучистого потока в трех указанных выше диапазонах широкого спектрального интервала длин волн и получаемая информация обладает большей информативностью и различительной способностью.

Объединение двух или нескольких изображений, получаемых в разных участках (зонах) оптического спектра (например, видимой и тепловой), позволяет сформировать результирующее изображение, обладающее большей информативностью для различения и селекции заданных объектов. В первую очередь, для этого могут быть использованы различные арифметические операции. Например, использование операций деления, вычитания или суммирования между собой амплитудных значений видеосигналов всего изображения или определенных его частей, позволяет формировать новые изображения с большей информативностью по сравнению с отдельными изображениями.

Далее, это могут быть операции инверсии видеосигналов и изменения коммутации сигналов на входы цветного видеоконтрольного устройства (ВКУ), использование методов разделения высокочастотной и низкочастотной составляющих видеосигналов, методов сегментации, выделения контуров, прямых линий, объектов заданной формы, динамичных объектов, сравнения текущих сигналов с эталонными и т.д.

На фиг. 1 представлен структурная схема системы, реализующая способ формирования сигналов разноспектральных изображений.

Система (фиг. 1), реализующая предлагаемый способ формирования разноспектральных изображений содержит:

1 - зеркально-линзовый объектив;

2 - устройство расщепления лучистого (светового) потока на два идентичных потока;

3₁ - оптический фильтр ОФ₁;

3₂ - оптический фильтр ОФ₂;

3₃ - оптический фильтр ОФ₃;

4₁ - преобразователь «лучистый поток-сигнал» для лучистого потока F₁(λ);

4₂ - преобразователь «лучистый поток-сигнал» для лучистого потока F₂(λ);

4₃ - преобразователь «лучистый поток-сигнал» для лучистого потока F₃(λ);

5 - синхрогенератор;

6₁ - блок цифровой обработки сигналов цветных изображений;

6₂ - блок цифровой обработки сигналов спектрозональных изображений;

6₃ - блок цифровой обработки сигналов тепловизионных изображений;

7 - блок совместной обработки цифровых сигналов;

8 - блок коммутации сигналов;

9 - блок отображения видеоинформации;

10 - блок автоматического анализа видеоинформации;

11 - исполнительное устройство;

12 - блок управления.

Синхрогенератор 5 формирует необходимые строчные, кадровые импульсы и управляющие импульсы заданной длительности и частоты, которые используются для развертки и считывания изображений в МФП соответствующих преобразователей «лучистый поток-сигнал» 4₁, 4₂ и 4₃ для раздельной и совместной цифровой обработки сигналов в блоках 6₁, 6₂, 6₃ и 7 соответственно.

В качестве преобразователей «лучистый (световой) поток-сигнал» 4₁, 4₂ могут быть использованы многосигнальные ПЗС матрицы, КМОП фотоприемники или другие преобразователи лучистого потока в электрический сигнал изображения с использованием мозаичных фильтров. В качестве МФП в преобразователе «лучистый поток-сигнал» 4₃ могут быть использованы двухсигнальные МФП или другие устройства, работающие одновременно в тепловых ИК₂ и ИК₃ областях спектра (3-5 мкм и 8-12 мкм).

В системе (фиг. 1) общий входной лучистый поток F(λ), пройдя зеркально-линзовый объектив 1 (один из вариантов его реализации показан в патенте [9]), с первого выхода которого лучистый поток F(λ) поступает на устройство расщепления лучистого (светового) потока на два идентичных потока 2, каждый из которых - F'(λ) проходит через свой оптический фильтр 3₁ и 3₂, первый из которых имеет спектральную характеристику, охватывающую спектральный участок в ВИ области спектра от 0,38 до 0,76 мкм и на выходе ОФ₁ образуется лучистый поток F₁(λ), а спектральная характеристика второго ОФ₂ охватывает широкий спектральный участок в ВИ области спектра и ближней ИК₁ области спектра от 0,38 до 2,5 мкм и на выходе ОФ₂ образуется лучистый поток F₂(λ).

Пройдя ОФ₁ и ОФ₂ лучистые потоки F₁(λ) и F₂(λ) проецируются на вход соответствующего преобразователя «лучистый поток-сигнал» 4₁ и 4₂. При этом преобразователь «лучистый поток-сигнал» 4₁, имеет на рабочей поверхности своего фотоприемника мозаичные цветные фильтры вида RGB в многосигнальном МФП, соответствующие зонам регистрации светового потока в красной (R), зеленой (G) и синей (В) областях ВИ области спектра, после которых лучистый поток F_R(λ), F_G(λ) и F_B(λ) преобразуют в видеосигналы первичных цветов U_R(t), U_G(t) и U_B(t) или сигналы цветного телевидения RGB.

В то же время лучистый поток R₂(λ) проецируют на многосигнальный МФП преобразователя «лучистый поток-сигнал» 4₂, имеющего на рабочей поверхности своего фотоприемника мозаичные спектрозональные фильтры со своей спектральной характеристикой, соответствующие выбранным зонам регистрации Δλ₁ Δλ₂ и Δλ₃ лучистого потока в ВИ и ближней ИК области спектра. После спектрозональных фильтров лучистые потоки F(Δλ₁), F(Δλ₂) и F(Δλ₃) преобразуются с использованием многосигнального МФП преобразователя «лучистый поток-сигнал» 4₂ в спектрозональные видеосигналы U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t).

В данной схеме (фиг. 1) зеркально-линзовый объектив 1 обеспечивает пропускание лучистого потока для наблюдения одного и того же объекта в двух и более спектральных участках внутри широкого спектрального интервала длин волн от λ₁ до λ_n, для чего сформированный на втором выходе зеркально-линзового объектива лучистый поток второго спектрального участка пропускают через ОФ₃, спектральная характеристика которого охватывает участки в тепловой ИК области спектра (3-5 мкм и 8-12 мкм).

На выходе ОФ₃ образуется лучистый поток F₃(λ). Этот поток проецируется на третий преобразователь «лучистый (световой) поток-сигнал» 4₃, имеющий в своем составе двухсигнальный МФП, и преобразуется в два тепловизионных видеосигнала U_Δλ4(t) и U_Δλ5(t), соответствующие зонам регистрации Δλ₄ и Δλ₅ лучистого потока в средней и дальней тепловой ИК областях спектра.

После осуществления указанных операций над сигналами, все сформированные видеосигналы U_R(t), U_G(t), U_B(t), U_Δλ1(t), U_Δλ2(t), U_Δλ3(t), U_Δλ4(t) и U_Δλ5(t) преобразуют в цифровую форму в блоках цифровой обработки сигналов цветных, спектрозональных и тепловизионных изображений 6₁, 6₂ и 6₃. В этих блоках проходит предварительное усиление аналоговых сигналов, их преобразование в цифровую форму с формированием двоичных сигналов в многоразрядном коде. Осуществляется цифровая коррекция сигналов (гамма-коррекция, апертурная коррекция) и другие виды цифровой обработки видеосигналов.

С выхода блоков цифровой обработки сигналов 6₁, 6₂ и 6₃ видеосигналы поступают на блок совместной обработки цифровых сигналов 7, с выхода которого видеосигналы поступают на входы блока коммутации сигналов 8 и далее поступают на входы блока отображения видеоинформации 9.

В таблице 1, для примера, показан вариант возможного числа используемых сигналов разноспектральных изображений для анализа объектов в зависимости от условий наблюдения и решаемых задач. Могут быть и другие варианты.

С блока управления 12 сигналы поступают на блоки 7, 8, 9 и 10, которые задают алгоритм совместной обработки цифровых видеосигналов телевизионного, спектрозонального и тепловизионного каналов, а также различные варианты подачи исходных и вновь сформированных видеосигналов на входы блока отображения видеоинформации, который может включать один или несколько цветных видеоконтрольных устройств, а также на вход блока автоматического анализа видеоинформации 10 (анализатора спектрального портрета объектов, измерителя координат объекта с формированием измерительных сигналов U_x(t), U_y(t) и др.).

Формируемые, например, измерительные сигналы U_x(t), U_y(t) с выхода блока автоматического анализа видеоинформации 10 поступают на исполнительное устройство 11. Наличие блока автоматического анализа видеоинформации 10 позволяет также решать задачи, связанные с автоматическим обнаружением и распознаванием в поле зрения ТВ системы объектов, наделенных определенными спектрально-энергетическими и пространственными признаками, их положением в пространстве. Для учета при автоматическом анализе видеоинформации упомянутых признаков объектов, следует выбрать число сигналов m из первого, второго и третьего оптико-электронных каналов удовлетворяющее условию 1≤m≤М, где М≥2, и определяется фоно-целевой обстановкой наблюдения объектов.

Источники

1. Телевидение. Учебник для вузов /В.Е. Джакония, А.А. Гоголь, Я.В. Друзин и др.: Под ред. В.Е. Джаконии. - М.: Радио и связь, 2000. - 640 с: ил.

2. Сагдуллаев Ю.С., Ковин С.Д., Сагдуллаев Т.Ю.. Смирнов А.И. Информационно-измерительные системы телевидения. М.: "Спутник +", 2013. - 199 с.

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

4. Алеев P.M. Несканирующие тепловизионные приборы/Р.М. Алеев, В.П. Иванов, В.А. Овсянников. - Казань: Изд-во Каз. Ун-та, 2004. - 228 с.

5. Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - 224 с: ил.

6. Патент РФ на изобретение №2374783. Способ формирования и отображения спектрозональных телевизионных сигналов/ Вилкова Н.Н., Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С. - опубл. 27.11.2009 г. Бюл. №33.

7. Патент РФ №2604898. Способ формирования спектрозональных видеосигналов/ Ковин С.Д., Сагдуллаев Ю.С. - Опубл. 20.12.2016 г. Бюл. №35.

8. Патент РФ №2543985. Способ формирования сигналов телевизионных изображений различных участков спектра / Ковин С.Д., Сагдуллаев Ю.С. - Опубл. 10.03.2015 г. Бюл. №7.

9. Патент РФ №2091834. Светосильный зеркально-линзовый объектив /Лебедева Г.И., Горбуль А.А. и др. - Опубл. 27.09.1997 г.

10. Патент РФ №2546982. Способ формирования и отображения сигналов цветных, спектрозональных и тепловизионных изображений/ Ковин С.Д., Сагдуллаев Ю.С. - Опубл. 10.04.2015 г. Бюл. №10.

Изобретение относится к области прикладного телевидения и может найти применение для видеонаблюдения и анализа изображений объектов окружающего пространства. Оно предусматривает совместное формирование цветных, спектрозональных и тепловизионных изображений путем регистрации и преобразования лучистого потока видимой, ближней и тепловой инфракрасной областей спектра в сигналы разноспектральных изображений. Техническим результатом является повышение точности пространственного совмещения отдельных разноспектральных изображений объектов в едином результирующем изображении и повышение качества визуального и автоматического анализа изображений на основе информации разных зон регистрации лучистого потока, отраженного и излученного от объектов. Результат достигается тем, что для формирования сигналов разноспектральных изображений осуществляют регистрацию входного лучистого потока внутри широкого спектрального интервала длин волн, который может включать видимую и инфракрасные области спектра. Из входного лучистого потока F(λ) выделяют три отдельных потока F₁(λ), F₂(λ) и F₃(λ). В первом оптико-электронном канале на основе лучистого потока F₁(λ) видимой области спектра формируют видеосигналы цветного телевидения U_R(t), U_G(t) и U_B(t), во втором оптико-электронном канале на основе лучистого потока F₂(t) видимой и ближней инфракрасной областей спектра формируют видеосигналы спектрозонального телевидения U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t) и в третьем оптико-электронном канале на основе лучистого потока F₃(λ) тепловой инфракрасной области спектра формируют видеосигналы тепловидения U_Δλ4(t) и U_Δλ5(t) с использованием одного зеркально-линзового объектива, обеспечивающего пропускание входного лучистого потока для наблюдения одного и того же объекта в двух и более спектральных участках внутри широкого спектрального интервала длин волн. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования сигналов разноспектральных изображений объектов окружающего пространства, включающий регистрацию и преобразование отраженного и излученного от объектов лучистого потока F(λ) видимой, ближней и тепловой инфракрасной (ИК) областей спектра электромагнитных волн - внутри широкого спектрального интервала длин волн - последующее образование из лучистого потока F(λ) трех отдельных лучистых потоков F₁(λ), F₂(λ) и F₃(λ), формирование в первом оптико-электронном канале на основе лучистого потока F₁(λ) видимой области спектра видеосигналов цветного телевидения U_R(t), U_G(t) и U_B(t), формирование во втором оптико-электронном канале на основе лучистого потока F₂(λ) видимой и ближней ИК областей спектра видеосигналов спектрозонального телевидения U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t), формирование в третьем оптико-электронном канале на основе лучистого потока F₃(λ) тепловой инфракрасной области спектра видеосигналов тепловидения U_Δλ4(t) и U_Δλ5(t), отличающийся тем, что регистрацию входного лучистого потока F(λ) отраженного и излученного от объектов наблюдаемого пространства и его проекции на рабочую поверхность матричных фотоприемников для преобразования лучистого потока в сигналы разноспектральных изображений осуществляют с использованием одного зеркально-линзового объектива, обеспечивающего пропускание лучистого потока для наблюдения одного и того же объекта в двух и более спектральных участках внутри широкого спектрального интервала длин волн, для чего сформированный на первом выходе зеркально-линзового объектива лучистый поток первого спектрального участка расщепляют на два одинаковых потока и пропускают через два оптических фильтра, первый из которых имеет спектральную характеристику, охватывающую спектральный участок видимой области спектра от 0,38 до 0,76 мкм и на выходе первого оптического фильтра образуют лучистый поток F₁(λ), а спектральная характеристика второго оптического фильтра охватывает спектральный участок в видимой (ВИ) и ближней инфракрасной (НК₁) областях спектра от 0,38 до 2,5 мкм и на выходе второго оптического фильтра образуют лучистый поток F₂(λ), затем осуществляют проекцию первого потока F₁(λ) на первый многосигнальный преобразователь «лучистый (световой) поток-сигнал», имеющий на рабочей поверхности матричного фотоприемника мозаичные цветные фильтры вида RGB, соответствующие зонам регистрации светового потока в красном (R), зеленом (G) и синем (B) участках ВИ области спектра, и преобразуют их в видеосигналы цветного телевидения U_R(t), U_G(t) и U_B(t), а второй лучистый поток F₂(λ,) проецируют на второй многосигнальный преобразователь «лучистый поток-сигнал», имеющий на рабочей поверхности своего матричного фотоприемника мозаичные оптические фильтры со спектральной характеристикой, соответствующие выбранным зонам регистрации Δλ₁, Δλ₂ и Δλ₃ лучистого потока внутри ВИ и ИК₁ областей спектра с длиной волны от 0,38 до 2,5 мкм, и преобразуют во времени в видеосигналы спектрозонального телевидения U_Δλ1(t), U_Δλ2(t) и U_Δλ3(t), кроме того, сформированный на втором выходе зеркально-линзового объектива лучистый поток второго спектрального участка проецируют через третий оптический фильтр на третий двухсигнальный преобразователь «лучистый поток-сигнал» и преобразуют лучистый поток F₃(λ) в видеосигналы тепловидения U_Δλ4(t) и U_Δλ5(t), соответствующие зонам регистрации Δλ₄=3-5 мкм и Δλ₅=8-12 мкм теплового участка ИК₂ и ИК₃ областей спектра соответственно, после чего полученные группы видеосигналов для первого, второго и третьего оптико-электронных каналов усиливают, преобразуют аналоговые видеосигналы в цифровые, осуществляют цифровую апертурную и гамма-коррекцию, затем цифровые видеосигналы цветного телевидения и спектрозонального телевидения и и тепловидения и используют для совместной их обработки, для чего осуществляют операции деления, вычитания или суммирования видеосигналов между собой, замены части изображения одного видеосигнала частью изображения другого, изменения полярности видеосигналов, разделения видеосигналов на низкочастотную и высокочастотную составляющие и выполняют другие операции, связанные с повышением информативности наблюдаемых изображений, далее исходные и вновь сформированные видеосигналы параллельно или последовательно отображают на экране видеоконтрольных устройств для визуального восприятия изображений, а также используют полученные видеосигналы для автоматического анализа видеоинформации и формирования измерительных сигналов управления.

2. Способ формирования сигналов разноспектральных изображений по п. 1, отличающийся тем, что выбираемое число сигналов m из первого, второго и третьего оптико-электронных каналов удовлетворяет условию 1≤m≤М, где М≥2, и определяется фоно-целевой обстановкой наблюдения объектов.