ДВУХСПЕКТРАЛЬНАЯ СИСТЕМА ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК H04N5/33 H04N7/18 

Изобретение относится к области спектрозонального телевидения и может найти применение для видеонаблюдения объектов окружающего пространства и анализа изображений. Оно предусматривает совместное формирование телевизионных и тепловизионных изображений, путем регистрации и преобразования отраженного и излученного лучистого потока в видимой и инфракрасной области спектра в сигналы изображений. Может быть использовано в системах наведения, обзорно-пилотажных системах, в робототехнике, системах технического зрения для решения задач видеонаблюдения объектов в дневное и ночное время суток.

Для наблюдения объектов земной поверхности с летательных аппаратов (ЛА) используют различные оптико-электронные системы (ОЭС), каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки, определяемые используемыми способами и устройствами регистрации и преобразования отраженного или излученного лучистого потока от объектов в сигналы изображений и методами их обработки. Количество отраженной или излученной от земной поверхности лучистой энергии, в первую очередь, 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=3,0-40 мкм с максимумом в диапазоне λ=8-14 мкм [1].

Известны достоинства ближней ИК области спектра (1,0-2,5 мкм) для ведения видеонаблюдения 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 наблюдаемых 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.

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 лучистого потока, например, при пожарах, поскольку это соответствует температуре горящих объектов. Диапазон 8,0-14,0 мкм характерен для регистрации излученного лучистого потока нагретых (охлажденных) естественных объектов поверхности Земли или искусственных объектов, имеющих иную температуру по сравнению с фоновыми объектами. Таким образом, 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 8-14 мкм.

Важной характеристикой зрительного восприятия объектов оптических изображений выступает контрастная чувствительность глаза - способность различать одни объекты на фоне других [1], 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 объект интереса (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 (2), 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

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 отражение в литературе [1].

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.).

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 формате.

Для полноценного решения задач, с учетом «окон прозрачности» атмосферы, необходимо осуществлять регистрацию лучистого потока объектов подстилающей поверхности Земли в различных спектральных участках оптической области спектра:

- ВИ участка спектра 0,38-0,76 мкм;

- ближнего ИК₁ участка спектра 0,76-2,5 мкм;

- ИК₂ участка спектра 3,0-5,0 мкм;

- ИК₃ участка спектра 8,0-14,0 мкм.

Таким образом, для видеонаблюдения объектов с использованием ОЭС, работающими в ТВ формате, предпочтительней использовать два диапазона регистрации лучистого потока. Первый - включает регистрацию отраженного лучистого потока в ВИ и ближней ИК₁ областях спектра, а второй - включающий регистрацию в дневное время суток частично отраженного лучистого потока в ИК₂ области спектра и собственного теплового излучения объектов от ИК₂ или ИК₃ областей спектра при плохих условиях видимости или в ночное время суток. В первом диапазоне может также осуществляться отдельная регистрация в (ВИ+ИК₁) участках спектра.

Исходя из числа спектральных участков (зон) регистрации лучистого (светового) потока, все источники сигналов разноспектральных изображений, использующих кадровый ТВ способ развертки, можно разделить на два основных класса спектрозональных систем:

1. Двухканальные системы.

2. Многоканальные системы.

Данная классификация отражает технический и информационный состав таких систем, которые предусматривают формирование двух или нескольких сигналов разноспектральных ТВ изображений наблюдаемого пространства, за счет регистрации лучистого потока в различных участках (зонах) оптического спектра, включающих УФ, ВИ и ИК области спектра В качестве датчиков сигналов ТВ изображений могут быть использованы ПЗС матрицы, КМОП фотоприемники или другие преобразователи лучистого (светового) потока в электрический сигнал изображения, при этом они могут быть односигнальными, двухсигнальными или многосигнальными.

Использование двух разных спектральных участков (зон) регистрации, включающих ВИ и ИК области спектра в системах видеонаблюдения, позволит обеспечить их круглосуточность применения, а также повысить обнаружительную способность объектов. В этой связи, способы и схемы построения входного звена спектрозональных камер, осуществляющих регистрацию лучистого потока в разных спектральных участках, включающих ВИ и ИК области спектра, могут быть разными.

Различают одноканальные, двухканальные и многоканальные схемы входного оптико-электронного тракта ОЭС для регистрации и преобразовании лучистого потока и формирования сигналов разноспектральных ТВ изображений [2, 3].

Например, при одноканальной схеме входного звена используют один объектив (О), оптический фильтр (ОФ) и матричный фотоприемник (МФП), которые образуют один автономный канал, в котором формируется сигнал изображения, за счет регистрации лучистого потока в конкретном спектральном участке. Таких автономных каналов может быть несколько.

Недостаток такого способа и самой схемы построения входного звена проявляется в следующем. При построении двухспектральной системы видеонаблюдения, входной лучистый поток, который отражается от наблюдаемых объектов, например, в ВИ области спектра, необходимо проецировать на рабочую поверхность матричного фотоприемника (МФП) через первый объектив, а излученный поток средней или дальней ИК области спектра необходимо пропускать через другой объектив. То, есть при такой схеме построения входного оптико-электронного звена в камере используют два отдельных объектива.

За счет того, что центр оптической оси этих объективов будет разнесен в пространстве на некоторую величину ΔХ или ΔУ, то расположение изображений объектов в формируемых изображениях ВИ и тепловой ИК областей спектра будет также смещено между собой на некоторую величину Δх или Δу.

Это обстоятельство, при осуществлении операции объединения двух разноспектральных изображений в одно единое, не позволяет обеспечить поэлементного точного совмещения по растру двух отдельных изображений в синтезированном изображении. За счет этого будет ухудшаться качество визуального восприятия и анализа объектов в таких изображениях и не обеспечится достоверность выполнения операций по автоматическому анализу объектов.

В этой связи, для устранения этого недостатка, часто используют зеркально-линзовые объективы, которые могут расщеплять входной лучистый поток разных спектральных участков не несколько потоков, при этом оптическая ось для всех отдельных МФП сохраняется одинаковой. Известны патентные источники, отражающие способы устройства расщепления входного лучистого потока с использованием зеркально-линзовых объективов.

Так, например, в патенте [4] рассмотрен двухканальный зеркально-линзовый объектив, который расщепляет входной лучистый поток на два потока. В своем составе он содержит зеркально-линзовый канал для ВИ области спектра с ЭОП и линзовый канал для ИК области спектра. За счет использования дихроического зеркала обеспечивается улучшение габаритно-массовых характеристик и повышение эффективного

относительного отверстия зеркально-линзового канала, приводящего к улучшению качества формируемого изображения.

Согласно описанию, патент [5] отражает двухканальную оптико-электронную систему, которая может быть использована для головок самонаведения, оптико-электронных систем обнаружения, распознавания и автосопровождения, в частности, в составе бортовой аппаратуры различных ЛА. Система содержит первый канал и второй, соосный первому и установленный перед ним. Отличительной особенностью данного патента является то, что на выпуклую поверхность вторичного зеркала нанесено спектроделительное покрытие, отражающее спектральное излучение в спектральном участке ИК области спектра Δλ₁=8-12,5 мкм и пропускающее отраженный световой поток в ВИ области спектра Δλ₂-0,4-0,7 мкм. Достигаемый результат - повышение качества изображения, увеличение светосилы второго канала до светосилы первого канала, обеспечение атермальности обоих каналов, упрощение конструкции и уменьшение габаритно-массовых характеристик.

Известна также двухканальная оптико-электронная система [6], в которой каждый из каналов содержит объектив и установленный на его оптической оси МФП, при этом объектив первого оптико-электронного канала выполнен зеркально-линзовым с центральным экранированием, а второй оптико-электронный канал установлен перед первым, имея с ним общую оптическую ось, отличающаяся тем, что диаметр каждого из компонентов второго оптико-электронного канала не превышают диаметра зоны центрального экранирования объектива первого оптико-электронного канала. Отличительная особенность данного патента заключается в том, что

- оба оптико-электронных канала могут быть телевизионными;

- оба оптико-электронных канала могут быть тепловизионными;

- первый оптико-электронный канал может быть телевизионным, а второй может быть тепловизионным.

Известен также патент [7], в котором рассмотрен светосильный зеркально-линзовый объектив. Разделение лучистого потока ВИ и ИК диапазона осуществляется на общей асферической поверхности, имеющей специальное покрытие, которое отражает лучистый поток ИК области спектра и пропускает лучистый поток ВИ области спектра. Отличительной особенностью данного изобретения является увеличение светосилы объектива и обеспечения возможности наблюдения одного и того же объекта в различных спектральных диапазонах без увеличения габаритов.

Недостаток - используется большое число оптических элементов (линз, зеркал) для формирования лучистого потока для первого и второго каналов формирования сигналов ТВ изображений. Отсутствуют предварительная механическая регулировка местоположения МФП для совмещения изображений ВИ и ИК областей спектра, с целью получения единого результирующего (синтезированного) изображения для последующего визуального анализа и автоматической регистрации.

В качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения по совокупности основных признаков и операций над сигналами, принята интегрированная теле-тепловизионная система, структурная схема которой представлена в работе [8]. Использование двух разных спектральных участков регистрации - ВИ и ИК области спектра в интегрированной теле-тепловизионной системе видеонаблюдения позволит обеспечить их круглосуточность применения, а также повысить обнаружительную способность объектов.

На стр. 116 (рис. 2) данной работы показано, что в системе используется единый двухканальный зеркально-линзовый объектив. В системе разделение лучистого потока ВИ и ИК областей спектра осуществляется на известной общей асферической поверхности, имеющей специальное покрытие, которое отражает лучистый поток ИК области спектра и пропускает лучистый поток ВИ области спектра. Формирование сигналов разноспектральных изображений ВИ и ИК областей спектра осуществляется с использованием соответствующих МФП, имеющих спектральную чувствительность к ВИ области спектра и ИК области спектра. Сигналы изображений подаются на видеопроцессор (ВП), где проходит их цифровая обработка и синтез единого изображения.

Отличительной особенностью данного решения является увеличение светосилы объектива и обеспечения возможности наблюдения одного и того же объекта в различных спектральных диапазонах (ВИ и ИК областях спектра) без увеличения габаритов. Вместе с тем, недостатком данной интегрированной теле-тепловизионной системы является то, что при выполнении требования соосности расположения первого и второго МФП, осуществляющих формирование сигналов изображений ВИ и ИК областей спектра отсутствует юстировка МФП между собой относительно единой оптической оси зеркально-линзового объектива.

В данном решении не предусмотрена такая важная операция, которая связана с предварительным совмещением разноспектральных изображений, полученных в ВИ и ИК областях спектра для формирования единого результирующего изображения. Рассовмещение изображений будет приводить к утомляемости работы наблюдателя (оператора) и как результат к ухудшению качества анализа синтезированного изображения. Для устранения этого недостатка необходимо предусмотреть отдельные узлы и операции, связанные с совмещением формируемых разноспектральных изображений ВИ и ИК областей спектра между собой.

Для этого, целесообразно предварительное совмещение разноспектральных изображений вначале выполнять в передающей камере (источнике сигналов) механическим путем, за счет изменения положения каждого МФП относительно друг друга по трем осям свободы X,Y,Z, возможного поворота каждого МФП по осям свободы X и У и вокруг общей оптической оси Z, а затем окончательное совмещение разноспектральных изображений проводится электронным путем, в тракте обработки сигналов изображений ВИ и ИК областей спектра.

Как известно из механики, число степеней свободы движений твердого тела соответствует количеству возможных независимых линейных и угловых перемещений тела. Тело, ничем не ограниченное в движениях (может двигаться в любом направлении), называется свободным. Движение свободного тела (для нашего случая МФП) возможно в трех основных направлениях-вдоль осей координат X,Y,Z, а также вокруг этих трех осей и оно имеет 6 степеней свободы движения.

Технический результат - повышение точности поэлементного совмещения двух разноспектральных изображений в едином результирующем изображении с возможностью изменения спектральных участков (зон) регистрации лучистого потока для увеличения достоверности и эффективности видеонаблюдения и анализа объектов.

Для достижения технического результата предлагается двухспектральная система видеонаблюдения, содержащая в общей конструкции зеркально-линзовый объектив с первым и вторым матричным фотоприемниками, которые имеют одинаковую оптическую линию визирования и образуют первый и второй оптико-электронный канал регистрации и преобразовании лучистого потока в сигналы изображений видимой и инфракрасной областей спектра, где выход первого и второго матричного фотоприемников соединены со входами видеопроцессора, общий выход которого соединен со входом видеоконтрольного устройства, отображающего синтезированное изображение на основе изображений видимой и инфракрасной областей спектра, в которой, перед первым и вторым матричным фотоприемниками дополнительно введены оптические фильтры, пропускающие лучистый поток определенной длины волны с шириной Δλ₁ и Δλ₂ и их расположением в видимой и инфракрасной областях спектра, а также для каждого матричного фотоприемника, установленного на автономном неподвижном креплении в конструкцию зеркально-линзового объектива дополнительно введены блоки механической регулировки положения как первого, так и второго матричного фотоприемников для изменения их положения относительно друг друга в трех основных направлениях - вдоль осей координат X,Y,Z, а также вокруг этих трех осей на некоторый угол, кроме того между выходами блока обработки сигналов матричных фотоприемников и входом видеопроцессора введен блок пространственного совмещения отдельных элементов изображения ВИ и ИК областей электронным путем, кроме того между видеопроцессором и видеоконтрольным устройством введен коммутатор видеосигналов.

В данной двухспектральной системе видеонаблюдения можно использовать перечисленные механические регулировки положения первого и второго матричного фотоприемников, в том числе и их поворот на некоторый угол вокруг общей оптической оси зеркально-линзового объектива. Для изменения ширины участка (зоны) регистрации лучистого потока Δλ₁ и Δλ₂ первого и второго каналов формирования сигналов изображений используются оптические фильтры с разными спектральными характеристиками, путем их смены, например, механическим путем.

За счет достижения повышения точности совмещения разноспектральных изображений в едином результирующем изображении в данной двухспектральной системе можно будет использовать МФП, в которых общее число светочувствительных элементов соответствует стандартной, высокой и сверхвысокой четкости при формировании сигналов разноспектральных изображений. Для последнего случая рассовмещение изображений является наиболее критичным.

На фиг. 1 представлена структурная схема двухспектральной системы видеонаблюдения. Она содержит: в общей конструкции зеркально-линзовый объектив с первым и вторым матричным фотоприемниками 1, куда входят сферический обтекатель 2, сферические зеркала 3, состоящие из двух разнесенных зеркал 3₁ и 3₂, объектив для ВИ области спектра 4₁, объектив для ИК области спектра 4₂, оптический фильтр для ВИ области спектра 5₁, оптический фильтр для ИК области спектра 5₂, первый преобразователь «свет-сигнал» для ВИ области спектра 6₁, второй преобразователь «лучистый поток-сигнал» для ИК области спектра 6₂ (далее по тексту матричные фотоприемники), блоки механической регулировки 7₁ и 7₂ положения как первого, так и второго матричного фотоприемников (МФП) в шести степенях свободы и имеющих общую оптическую ось в зеркально-линзовом объективе.

Кроме того система (фиг. 1), содержит синхрогенератор 8, два блока цифровой обработки сигналов 9₁ и 9₂, блок пространственного совмещения разноспектральных изображений электронным путем 10, видеопроцессор 11, блок коммутации сигналов 12, блок отображения видеоинформации 13, блок автоматической регистрации видеоинформации 14, блок управления 15, блок оптических фильтров 16.

Синхрогенератор 8 формирует необходимые строчные, кадровые импульсы и управляющие импульсы заданной длительности и частоты, которые используются для развертки (считывания) сигналов изображений в МФП 6₁ и 6₂, для цифровой обработки сигналов в блоках 9 и других блоков системы 10 и 11. В качестве датчиков ТВ сигналов 6₁ и 6₂ могут быть использованы ПЗС матрицы, КМОП фотоприемники или другие

преобразователи лучистого потока в сигналы изображений.

В двухспектральной системе видеонаблюдения (фиг. 1) общий входной лучистый поток F(λ), отраженный или излученный от объектов с длиной волны от λ₁ до λ_n, куда входят ВИ и ИК области спектра, пройдя сферический обтекатель 2 зеркально-линзового объектива 1, проходит обработку по двум оптико-электронным каналам. Это по первому каналу регистрации светового потока и формирования сигнала изображения U₁(t) для ВИ области спектра и по второму каналу регистрации лучистого потока и формирования сигнала изображения U₂(t) для ИК области спектра.

В первом канале световой поток через объектив 4₁ проходит первый оптический фильтр (ОФ₁) 5₁ и проецируется на рабочую поверхность первого МФП 6₁. Спектральная характеристика (СХ) Ф₁(λ) первого ОФ₁ в общем случае охватывает весь спектральный участок ВИ области спектра Δλ_ви от 0,38 до 0,76 мкм. Надо отметить, что может использоваться и меньшая ширина зоны регистрации и при этом ее возможное другое местоположение в ВИ области спектра, когда Δλ₁<Δλ_ви. В результате преобразования светового потока на выходе МФП 6₁ формируется первый сигнал изображения U₁(t) для ВИ области спектра.

Во втором канале лучистый поток отражаясь от сферических зеркал 3, расположенных определенным образом, проходит объектив 4₂ и второй оптический фильтр (ОФ₂) 5₂, после чего он проецируется на рабочую поверхность второго МФП 6₂. СХ Ф₂(Х) второго ОФ₂ в первом случае охватывает спектральный участок тепловой ИК области спектра с шириной Δλ_ик2 от 3,0 до 5,0 мкм или для другого случая, с шириной Δλ_ик3 от 8,0 до 14,0 мкм. Следует заметить, что может использоваться и меньшая ширина зоны регистрации и при этом ее возможное другое местоположение в ИК областях спектра, когда Δλ₂<Δλ_ик2 или Δλ₂<Δλ_ик3. В результате преобразования лучистого потока на выходе МФП 6₂ формируется второй сигнал изображения U₂(t) для ИК₂ или ИК₃ областей спектра.

После осуществления указанных операций, сформированные видеосигналы U₁(t) и U₂(Y) преобразуются в цифровую форму в блоках обработки сигналов 8₁ и 8₂. В этих блоках проходит предварительное усиление 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 8₁ и 8₂ видеосигналы поступают на входы видеопроцессора 11 для цифровой обработки сигналов, с выхода которого видеосигналы поступают на входы блока коммутации видеосигналов 12 и далее поступают на входы блока отображения видеоинформации 13 и блока автоматической регистрации видеоинформации 14.

Видеопроцессор 11 может реализовывать различные алгоритмы раздельной и совместной обработки сигналов разноспектральных изображений. При раздельной обработке сигналов может учитываться тот факт, что по количеству получаемой общей различительной информации в изображениях могут быть две характерные ситуации, в которых для дневного времени суток выделяется приоритет для ТВ изображений ВИ области спектра, а для ночного времени суток - приоритет для ТПВ изображений ИК областей спектра.

Наиболее важным вопросом, при необходимости синтеза двух разноспектральных изображений, является формирование объединенного (результирующего) изображения. Полезная информация, необходимая для принятия решения наблюдателем (оператором), может быть распределена между изображениями двух спектральных участков. В этом случае оператор вынужден анализировать изображени\ ВИ и ИК областей спектра и сопоставлять их между собой, что может приводить к задержкам в принятии решения.

По этой причине целесообразно выводить на экран отображающего устройства также и объединенное изображение, синтезированное из двух исходных разноспектральных изображений, полученных в ВИ и ИК областях спектра. Помимо снижения объема данных, цель синтеза в создании новых изображений, которые более удобны с точки зрения восприятия/анализа человеком/автоматом, а также для дальнейших задач обработки изображений, таких как сегментация и селекция объектов, их захват и т.д.

С блока 15 управляющие сигналы поступают на входы блоков 7, 10-13, 16, которые задают алгоритм обработки видеосигналов, а также различные варианты подачи сформированных видеосигналов на входы блока отображения видеоинформации, а также на вход блока автоматической регистрации видеоинформации 14. Сигнал с выхода блока 14 может поступать на исполнительное устройство. Наличие блока 14 позволяет решать специальные задачи, связанные с автоматическим обнаружением и распознаванием объектов в поле зрения двухспектральной системы видеонаблюдения.

Совмещение разноспектральных изображений в системе (фиг. 1) вначале проводится механическим путем, за счет использование блоков 7₁ и 7₂, путем изменения положения каждого МФП относительно друг друга по трем осям X,Y,Z, осуществлении возможного поворота каждого МФП по осям X и У, а также возможного поворота каждого МФП вокруг общей оптической оси Z.

Окончательное совмещение разноспектральных изображений проводиться электронным путем, в тракте обработки сигналов изображений ВИ и ИК областей спектра, за счет использования блока 10, где осуществляется сдвиг растра одного изображения относительно другого в горизонтальном и вертикальном направлениях и поэлементное совмещение изображений.

На фиг. 2 показана общая компоновка конструкции зеркально-линзового объектива с первым и вторым матричным фотоприемниками и ход лучей при регистрации лучистого потока в ВИ и ИК областях спектра. Обозначения входного звена, элементов и узлов зеркально-линзового объектива, такие же, как показано на фиг. 1.

Компоновка зеркально-линзового объектива предусматривает использование общего сферического обтекателя 2 и соосно расположенных линзового объектива 4₁ с ОФ 5₁ и МФП 6₁ для оптико-электронного канала ВИ области спектра и зеркально-линзового объектива 3,4₂ с ОФ 5₂ и МФП 6₂ для оптико-электронного канала ИК области спектра. Такая схема зеркально-линзового объектива позволяет обеспечить совмещение оптических осей для каналов ВИ и ИК области спектра, а также получить хорошие оптические характеристики при достаточно компактной конструкции. Конструктивно оптико-электронный канал ВИ области спектра расположен с внешней стороны сферического зеркала (контрзеркала) 3₁.

Наличие отдельных объективов 5₁ и 5₂ в каждом оптико-электронном канале позволяет подбирать характеристики МФП и объективов таким образом, чтобы обеспечить равенство мгновенных полей зрения в каналах ВИ и ИК областей спектра.

Юстировка изображений с точностью до элемента изображения (пикселя), формируемых в каналах ВИ и ИК областей спектра, обеспечивается за счет соосности конструкции, а также предварительной юстировки положения МФП 6₁ и 6₂ с использованием блоков 7₁ и 7₂, путем изменения положения каждого МФП относительно друг друга в трех основных направлениях - вдоль осей координат X,Y,Z, а также вокруг этих трех осей.

Возможность вариативно выбирать характеристики МФП для ВИ области спектра позволяет выбрать МФП с большим форматом, чем МФП для ИК области спектра. Эта возможность позволяет обеспечить дополнительное электронное совмещение растров с точностью до пикселя для двух разноспектральных изображений в блоке электронного совмещения 10 (фиг. 1).

Кроме того, за счет введения в конструкцию зеркально-линзового объектива новых оптических элементов, в виде ОФ 5₁ и 5₂ предусматривает возможность изменения ширины и местоположения зоны регистрации лучистого потока отраженного или излученного от объектов и тем самым дает возможность повысить различимость объектов и информативность формируемых разноспектральных изображений. Это связано с тем, что достоверное и качественное решение задач наблюдения и анализа объектов, в первую очередь, зависит от возможности получения контрастных изображений для различных сочетаний объект/фон. Это можно достичь, в зависимости от условий наблюдения объектов, используя, например, те или иные ОФ.

Наличие коммутатора 12 позволять выбирать необходимые сигналы изображений, полученные путем регистрации лучистого потока в ВИ и ИК областях спектра, а также в процессе формирования синтезированного разноспектрального изображения для решения поставленных задач визуального или автоматического анализа видеоинформации, формируемой с использованием двухспектральной системы видеонаблюдения.

Источники

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

2. 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.№1.

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

4. Патент РФ на изобретение №2256205. Двухканальный зеркально-линзовый объектив (варианты)./Журавлев П.В., Косолапое Г.И., Хацевич Т.Н. Опубликовано: 10.07.2005 Бюл. №19.

5. Патент РФ на изобретение №2606699. Двухканальная оптико-электронная система/ Сокольский М.Н., Ефремов В.А., Лапо Л.М.. Опубликовано: 10.01.2017 Бюл. №1.

6. Патент РФ на полезную модель №44836. Двухканальная оптико-электронная система/ Тарасов В.В., Здобников А.Е., Сухорученко А.Н. Опубликовано 27.03.2005, Бюл.№9.

7. Патент РФ на изобретение №2091834. Светосильный зеркально-линзовый объектив./ Лебедева Г.Я., Гарбуль А.А., Березанский В.М., и др. Опубликовано 27.09.1997.

8. Березанский В.М. Интегрированные теле-тепловизионные системы // Материалы научно-технической конференции"Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондированияЗемли". - М.:МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2006 г. С. 113-122.

Настоящее изобретение относится к области спектрозонального телевидения и касается двухспектральной системы видеонаблюдения. Система содержит зеркально-линзовый объектив с первым и вторым матричными фотоприемниками. Перед первым и вторым матричными фотоприемниками введены оптические фильтры для видимой и инфракрасной областей спектра. Кроме того, для каждого матричного фотоприемника в конструкцию зеркально-линзового объектива введены блоки механической регулировки положения первого и второго матричных фотоприемников относительно друг друга в шести степенях свободы. Дополнительно между выходом матричных фотоприемников и видеопроцессором введен блок пространственного совмещения отдельных элементов изображения видимой и инфракрасных областей электронным путем, а между видеопроцессором и видеоконтрольным устройством введен коммутатор видеосигналов. Технический результат заключается в повышении точности поэлементного совмещения двух разноспектральных изображений в едином результирующем изображении и увеличении достоверности и эффективности видеонаблюдения и анализа объектов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двухспектральная система видеонаблюдения, содержащая в общей конструкции зеркально-линзовый объектив с первым и вторым матричными фотоприемниками, которые имеют одинаковую оптическую линию визирования и образуют первый и второй оптико-электронные каналы регистрации и преобразования лучистого потока в сигналы изображений видимой и инфракрасной областей спектра, видеопроцессор и видеоконтрольное устройство, отображающее синтезированное изображение на основе изображений видимой и инфракрасной областей спектра, отличающаяся тем, что перед первым и вторым матричными фотоприемниками дополнительно введены оптические фильтры, пропускающие лучистый поток определенной длины волны с шириной Δλ₁ и Δλ₂ и их местоположением в видимой и инфракрасной областях спектра, а также для каждого матричного фотоприемника в конструкцию зеркально-линзового объектива дополнительно введены блоки механической регулировки положения как первого, так и второго матричного фотоприемника для изменения их положения относительно друг друга в трех основных направлениях - вдоль осей координат X, Y, Z, а также вокруг этих трех осей, кроме того, между выходами блока обработки сигналов матричных фотоприемников и входом видеопроцессора введен блок пространственного совмещения отдельных элементов изображения видимой и инфракрасной областей спектра электронным путем, а между видеопроцессором и видеоконтрольным устройством введен коммутатор видеосигналов.

2. Двухспектральная система видеонаблюдения по п. 1, отличающаяся тем, что ширина зоны регистрации лучистого потока Δλ₁ и Δλ₂ для первого и второго оптико-электронных каналов формирования сигналов изображений изменяется путем использования первого и второго оптических фильтров с разными спектральными характеристиками.

3. Двухспектральная система видеонаблюдения по п. 1, отличающаяся тем, что регистрация отраженного и излученного лучистого потока от объектов осуществляется с использованием первого и второго матричных фотоприемников, в которых общее число светочувствительных элементов соответствует стандартной, высокой и сверхвысокой четкости формирования сигналов разноспектральных изображений.