CC BY
61
МЕТОДИКА И АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ФОРМЫ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ТЕРМОГРАММ
Василий Михайлович Тымкул
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Российская Федерация,
г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры «Наносистемы и оптотехника», тел. 8 (383) 352-11-59, e-mail: fantasy_2000@ngs.ru
Любовь Васильевна Тымкул
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Российская Федерация,
г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры «Наносистемы и оптотехника», тел. 8 (383) 352-11-59, e-mail: fantasy_2000@ngs.ru
Юрий Александрович Фесько
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Российская Федерация,
г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры «Наносистемы и оптотехника», тел. 8913-752 92-38, e-mail: y.a.fesko@gmail.com
В работе описывается алгоритм и принципы построения объемных изображений объектов по их собственному поляризованному тепловому излучению на основе двух поляризационных термограмм.
Ключевые слова: поляризация, инфракрасное излучение, поляризатор, распознавание, трехмерная форма.
METHOD AND ALGORITHM FOR DETERMINING THE FORM OF THREEDIMENSIONAL OBJECTS ON THE BASIS OF POLARIZATION THERMOGRAM
Vasily M. Tymkul
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russian Federation, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, PhD, professor, department of «Nanosystems and optical engineering», tel. 8 (383) 352-11-59, email: fantasy_2000@ngs.ru
Lyubov V. Tymkul
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russian Federation, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, PhD, professor, department of «Nanosystems and optical engineering»,tel. 8 (383) 352-11-59, email: fantasy_2000@ngs.ru
Yuri A. Fesko
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russian Federation, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, PhD-student, department of «Nanosystems and optical engineering», tel. 8-913-752 92-38, e-mail: y.a.fesko@gmail.com
In article describes the algorithm and the principles of three-dimensional images of objects on their own polarized thermal emission from the two polarization thermograms.
Key words: polarization, infrared radiation, polarizer, recognition, three-dimensional form.
К настоящему времени тепловизионные приборы (ТВП) широко используются в самых разных отраслях науки и техники. Область применения начинается от локализации утечек тепла строительных ограждений и заканчивается идентификацией объектов. Поскольку ТВП строят изображение на контрасте температур и различии коэффициента излучения наблюдаемых элементов в поле зрения, то в получаемых изображениях теряется однозначная информация о форме объекта в пределах равномерно нагретых областей. В виду этого определение формы объектов внутри теплового контура - это на сегодня одна из актуальных задач в области тепловидения.
В работе [1] нами рассматривался вопрос о проблеме расширения информативности канала ТВП. Поскольку информативность классических тепловых изображений недостаточна для того, чтобы однозначно можно было судить о форме объекта внутри его теплового контура, их информативность необходимо расширить (рис. 1). Это достигается за счет получения поляризационных термограмм, которые реализуются введением в оптическую систему ТВП дополнительного устройства, которое представляет собой вращающийся инфракрасный (ИК) поляризационный фильтр. В работах [2, 3] приводится описание методики определения формы объектов внутри их теплового контура на основе поляризационных термограмм.
Рис. 1. Классические тепловые изображения
Для построения трехмерного изображения необходимо иметь информацию о трех координатах элементов объекта, две координаты плоскости изображения определяются номерами элементов изображения или многоэлементного фотоприемного устройства, а третья координата определяется на основе предложенной методики [2, 3].
Рассмотрим кратко предложенную методику, в основе которой производится обработка сигналов соответствующих элементов поляризационных изображений и1(п, 1) и и2(п, 1), полученных путем ввода в оптическую схему поляризационного фильтра и поворота вокруг оси в положение соответствующее 45 и 90 градусам азимута поляризации ИК излучения. В этом случае сигналы для каждого элемента математически описываются выражениями:
Ui (n, l) = Uq [1 + P(n, l) sin 2t(n, l) cos 2 y(n, l)]; (1)
Ü2(n,l) = Uq [1 - P(n,l)cos2t(n,l)cos2y(n,l)]. (2)
В выражениях (1) и (2) величина U0 равна:
U0 = SФхо ‘хп 'xa’ (3)
где S - чувствительность приемника излучения; то, тп, та - соответственно коэффициент пропускания оптической системы, поляризатора и слоя атмосферы между объектом и прибором; Р, t, у - степень, азимут и степень эллиптичности поляризации теплового излучения поверхности объекта; n, l -номер строки и элемента в строке исследуемых пикселов в изображении элементов поверхности объекта.
Установлено, что степень поляризации собственного оптического излучения объекта меняется в зависимости от угла ориентации участка излучающей поверхности объекта, эквивалентной площади одного чувствительного элемента приемного устройства, относительно направления её наблюдения. Эта зависимость описывается выражением [4]: y(nl) = arccos [pmax - p(Xl)], (4)
где Pmax - максимум степени поляризации теплового излучения; у - угол излучения (ориентации элемента поверхности объекта).
Зависимость степени поляризации излучения элемента поверхности от соответствующих видеосигналов изображения при прохождении излучения через поляризационный фильтр с азимутами поляризации 45 и 90 градусов представляется [3]:
P(n,l) =
1
2sin
[ U1(n’l) -1]_________________. (5)
[ Ui(n,l) -1]
arctg
[ U1(n,l) -1]
[1 - Ü2(n,l)]^
Необходимо отметить, что в указанной методике выполняется обработка двух поляризационных тепловых изображений сцены, но с различными азимутами поляризации, и одного классического теплового изображения. Как уже было отмечено выше, классические тепловые изображения явно содержат информацию о тепловом контуре объекта (рис. 1), а поскольку обрабатываются изображения одной сцены, то классическая термограмма служит основой при определении границы между контуром объекта и фоновой обстановкой.
На основе выражений (4), (5) производится расчет третьей координаты изображения. Определение третьей координаты производиться в рамках контура исследуемого объекта, определенного ранее на основе классического теплового изображения. По результатам обработки выполняется построение трехмерного изображения поверхности объекта по формулам (6), (7):
Xnlz=const = xn-1 +AYntgVl; (6)
xlly=ccnst = Xl-1 +Azlt§V2, (7)
где Ayn и Azl - шаг сканирования вдоль координат OY и OZ; уь у2 -проекции угла у на координатные плоскости XOY и XOZ.
Методика реализуется по алгоритму, который изображен на рис. 2.
Ввод исходных данных
1=1:1:Ь п=1:1:К
I
Расчет Р1 (Поляризация)
I
Расчет ф1 (Ориентация пиксела)
2 , г 3
п=1:1:К
1=1:1:Ь
I
Расчет Р2 (Поляризация)
I
Расчет ф2 (Ориентация пиксела)
I
1
Рисунок 2 - Схема алгоритма формирования трехмерного изображения
4
5
6
В блоке 1 производится ввод видеосигналов и1 и и2 поляризационных тепловых изображений поверхности объекта. Далее видеосигналы каждого из тепловых изображений обрабатываются по приведенной выше методике в блоках 2 и 3, в которых рассчитываются параметры Р и у по выражениям (4) и (5) для каждой из проекций угла у на координатные плоскости XOY и ХО/ поляризационных тепловых изображений. В блоке 4 производится предварительная обработка, сопоставление полученных данных и расчет третьей координаты на основе выражений (6) и (7) для формирования объемного изображения. Блок 5 формирует конечное трехмерное изображение
для вывода его на устройство отображения (дисплей). В блоке 6 производится запись полученного результата в формате графического изображения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тымкул, В.М. Анализ способов распознавания формы трехмерных объектов [Текст] / В.М. Тымкул, Ю.А. Фесько, О.К. // Сборник трудов 21 Международной конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения, Москва, ФГУП «НПО «Орион», 2010.
2. Тымкул, В.М. Математическая модель определения трехмерной формы объектов на основе двух поляризационных термограмм [текст] // Ю.А. Фесько, Л.В. Тымкул, Д.С. Шелковой.: сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», Т. 5., Ч. 1. -Новосибирск : СГГА, 2011. - С. 164-168.
3. Тымкул, В.М. Метод поляризационного тепловизионного распознавания трехмерной формы объектов [текст] // В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, Ю.А. Фесько, О.К. Ушаков, Вестник СГГА: научн.-технич. журн./ учредитель ГОУВПО «СГГА». - Вып. 2(13). - Новосибирск: СГГА. - 2010. - С. 74-83.
4. Пат. 2431936 РФ, МКИ H04N 5/33. Способ тепловизионного распознавания формы объектов / В.М. Тымкул, Фесько Ю.А. /РФ/. - №2010129703/09; заяв 15.07.2010; опубл. 20.10.2011, Бюл. № 29.
© В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, Ю.А. Фесько, 2012
