CC BY
7
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
УДК 621.397.13
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ МЕТОДА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СПЕКТРОЗОНАЛЬНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
М.АКалитов, Н.П.Корнышев
ACCURACY INCREASE OF THE DIFFERENTIAL MULTISPECTRAL IMAGING METHOD
M.AKalitov, N.P.Kornyshev
Институт электронных и информационных систем НовГУ, Nikolai.Kornishev@novsu.ru
Обсуждаются вопросы улучшения дифференциального метода спектрозональной визуализации. Рассматривается структурная схема спектрозональной телевизионной системы и пример набора стандартных светофильтров, имеющих спектральные характеристики в широких зонах регистрации светового потока. Приводятся примеры изображений тестовых и реальных объектов, полученных дифференциальным методом из исходных спектрозональных изображений. Предлагается способ повышения точности за счет сохранения формы выходного сигнала и его полярности в случае отрицательной разности между сравниваемыми цифровыми кодами. Обсуждаются результаты компьютерного моделирования с целью сравнительной оценки получаемых изображений.
Ключевые слова: спектрозональная визуализация, обработка спектрозональных изображений
The questions of improving the differential multispectral limaging method are discussed. A block scheme of a spectral television system and an example of a set of standard light filters with spectral characteristics for wide areas of light flux registration are considered. Examples of images of test and real objects obtained by the differential method from the original spectral images are given. A method of accuracy increase by preserving the shape of the output signal and its polarity in the case of a negative difference between the compared digital codes is suggested. The results of computer simulation for the purpose of comparative evaluation of the obtained images are discussed.
Keywords: multispectral imaging, multispectral image processing
Методы спектрозональной визуализации в настоящее время представляют большой интерес, поскольку позволяют в значительной мере расширить возможности оптико-электронных систем (ОЭС), формирующих изображения в различных диапазонах спектра, за счет извлечения дополнительной визуальной информации о наблюдаемых объектах интереса. Для получения спектрозональных изображений используют как оптическое разделение лучистых потоков, так и цифровую обработку получаемых при этом видеосигналов [1].
Метод дифференциальной спектрозональной визуализации [2], заключающийся в дополнительной цифровой обработке исходных широкодиапазонных изображений путем формирования разностных изображений, соответствующих узким участкам спектрального диапазона, представляет особый интерес, поскольку позволяет получить дополнительную видеоинформацию без увеличения аппаратных затрат. Это обстоятельство является немаловажным при оптимизации ОЭС.
Данный метод 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, ИКС, имеющие крутой перепад спектральной характеристики в желтой, оранжевой, красной и ближней инфракрасной областях спектра соответственно. При этом обеспечивается приближенное соответствие видеоинформации разностного спектрозонального сигнала и видеоинформации спек-трозонального сигнала, получаемого оптическим путем [3].
Формирование спектрозональных телевизионных сигналов по методу дифференциальной спектро-зональной визуализации сводится к следующему. Из светового потока в общем спектральном интервале оптическим путем выделяют п спектрозо-нальных световых потоков в интервалах длин волн
акс.? акс^ ^и * ^макс^ где —
затем формируют электрические сигналы, пропорциональные яркости света в элементах спектрозо-нальных изображений, и получают соответствующие цифровые коды иь и2 ...ип, из которых формируют
разностные выходные цифровые коды ивых ) = и - и2,
U,
, — U2 — U3, . . ^ U„,„ n — Un—1 — Un
узким зонам регистрации Х1*Х2, ..., Хп-1*Хп [2].
Однако нетрудно заметить, что при взаимном вычитании цифровых кодов форма выходного сигнала может искажаться. Действительно, в случае, если вычитаемое больше уменьшаемого, то получаемая
Рис.1. Структурная схема спектрозональной телевизионной системы: 1 — объектив, 2 — линейка светофильтров, 3 — телевизионная камера, 4 — устройство видеозаписи, 5 — компьютер
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.
Целью данной статьи является ознакомление с вариантом улучшения метода дифференциальной спектрозональной визуализации за счет повышения точности формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, а именно за счет сохранения формы выходного сигнала и его полярности в случае отрицательной разности между сравниваемыми цифровыми кодами.
Сущность улучшения метода дифференциальной спектрозональной визуализации заключается в том, что выходные коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации Х^^, ..., Хп-1^Хп, формиру-
ют в соответствии с выражениями
;.)/2, Uвых 2 = .вых 2 + .макс.) / 2 . • •
вые коды и1, и2 . ..ип обрабатываются программным путем с целью получения разности цифровых кодов
ивых 1 (ивых 1 + имакс..
ивых п = .вых п +имакс.)/2, где имакс. — максимально
возможное значение цифрового кода [4].
В качестве примера на рис. 1 показана спектро-зональная телевизионная система, реализующая рассматриваемый способ улучшения дифференциального метода визуализации и содержащая объектив 1, линейку 2 светофильтров, оптически связанных с телевизионной камерой 3, последовательно подключенной к устройству видеозаписи 4 и компьютеру 5.
Способ осуществляется следующим образом. Световой поток в общем спектральном интервале ^^мако. проходит через объектив 1, в заднем рабочем отрезке которого размещается линейка 2 стандартных светофильтров. В простейшем случае линейку светофильтров 2 в заднем рабочем отрезке объектива перемещают вручную, последовательно устанавливая перед фотоприемником телевизионной камеры 3 светофильтры, выделяющие спектрозональные световые потоки в интервалах длин волн Х1^Хмакс., ^2^^макс., ••, ^п^макс., где ^1<^2...<^п<^макс.. Каждое получаемое спектрозональное оптическое изображение последовательно преобразуется телевизионной камерой 3 в электрический сигнал, который в свою очередь преобразуется в цифровую форму стандартным устройством видеозаписи 4 и последовательно вводится в компьютер 5.
Введенные в компьютер исходные цифровые коды элементов спектрозональных изображений цифро-
ивых1 = . и
ивых 2 = и 2-из,
ивых п и П-1 и п,
а затем выходных кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов и*ых 1,и*ых 2,....и*ых п, соответствующих узким зонам регистрации
по формулам ив*ых 1 = (ивых 1 +имакс.)/2, * *
.вых 2 = (ивых 2 + .макс.) / 2, . • • ивых п = (ивых п + .макс. ) / 2,
где имакс. — максимально возможное значение цифрового кода. Выходные коды цифровых спектрозо-нальных телевизионных сигналов используют для их отображения на экране дисплея компьютера.
Рис.2. Пример спектральных характеристик стандартных светофильтров типа КС по ГОСТ 9411-91 для расширенных спектральных интервалов Л1-Л„акс., Л2-Л„акс., ..., Л„-Л„акс. в общем диапазоне длин волн Л^Л^с
В качестве примера на рис.2 показаны три спектральных характеристики стандартных светофильтров типа КС по ГОСТ 9411-91 для расширенных спектральных интервалов Х1^Хмакс., ^2^^макс., ••, ^п^^макс. в общем диапазоне длин волн Х1^Хмакс., при помощи которых формируются исходные световые потоки, преобразуемые цифровые коды и1, и2, и3, пропорциональные яркости для соответствующих элементов трех исходных спектрозональных телевизионных изображений, представленных на рис.За, Зб и Зв.
а) б) в)
Рис.3. Спектрозональные телевизионные изображения, соответствующие приведенным на рис.2 спектральным характеристикам
На рис.4 показаны результирующие изображения, получаемые методом дифференциальной спек-трозональной визуализации [2] (рис.4а) и после его улучшения (рис.4б). В изображении (рис.4а) форма результирующего сигнала искажена, поскольку результирующие отрицательные отсчеты яркости преобразованы в модуль яркости. В изображении (рис.4б) результирующие отрицательные отсчеты яркости отображаются с соответствующей полярностью выходного сигнала относительно уровня
и макс. /2, тем самым обеспечивается сохранение его формы и повышается точность формирования спек-трозонального телевизионного сигнала в узкой зоне регистрации.
Рассмотрим пример, в котором величина яркости в соответствующих элементах двух исходных спектрозональных изображений будет равна в первом случае и1 = 10, и2 = 5, а во втором случае (например, в соседнем элементе) и1 = 5, и2 = 10 при имакс. = 255. Во втором случае разность цифровых кодов оказывается отрицательным числом, что для яркости изображения лишено физического смысла. По способу-аналогу выходное значение яркости при взятии модуля разности ивых 1 = и1 -и2 в обоих случаях окажется
равным ивых 1 = 5, что приводит к искажению формы
выходного сигнала.
Аналогичная ситуация складывается, если отрицательные значения яркости отбрасывать и принимать в качестве выходного нулевое значение. При вычислении выходных значений по заявляемому техническому решению на основании формулы
Сх 1 = (ивых 1 +UMaKC.)/2 получим для первого случая
и*ых 1 = 130, а для второго случая U*ых 1 = 125, что обеспечивает сохранение формы выходного сигнала относительно уровня имакс./2 = 127,5 и, следовательно, повышает точность формирования спектрозонального телевизионного сигнала в узкой зоне регистрации.
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++.
Выводы
1. Применение дифференциального метода спектрозональной визуализации для обработки изображений на смежных участках видимого и инфракрасного диапазона спектра обеспечивает возможность получения дополнительной визуальной информации об исследуемых объектах.
2. Сохранение формы выходного сигнала и его полярности в случае отрицательной разности между сравниваемыми цифровыми кодами обеспечивает повышение точности метода дифференциальной спектрозональной визуализации
1. Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С., Сагдуллаев Т.Ю. Спек-трозональные методы и системы в космическом телевидении // Вопросы радиоэлектроники. Сер.: Техника телевидения. 2009. Вып. 1. С.47-64.
2. Сагдуллаев Ю.С., Сагдуллаев Т.Ю. К вопросу выбора зон регистрации в спектрозональном телевидении // Вопросы радиоэлектроники. Сер.: Техника телевидения. 2011. Вып.2. С.20.
3. Корнышев Н.П., Калитов М.А., Сенин А.С. Исследование метода дифференциальной спектрозональной визуализа-
ции // Вестн. НовГУ. Сер.: Технические науки. 2018. №1(107). С.62-69.
4. Патент № 2679921 RU, МПК H04N 7/18. Способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов / М.А.Калитов, Н.П.Корнышев. Заявл. 28.04.2018. Опубл. 14.02.2019. Бюл.5.
References
1. Zubarev Iu.B., Sagdullaev Iu.S., Sagdullaev T.Iu. Spektrozonal'nye metody i sistemy v kosmicheskom televidenii [Multispectral methods and systems in space TV]. Issues of Radio Electronics. Ser.: The Technique of Television, 2009, iss.1, pp. 47-64.
2. Sagdullaev Iu.S., Sagdullaev T.Iu. K voprosu vybora zon registratsii v spektrozonal'nom televidenii [On the question of choice of reception areas in a multispectral television]. Issues of Radio Electronics. Ser.: The Technique of Television, 2011, iss. 2. P.20.
3. Kornyshev N.P., Kalitov M.A., Senin A.S. Issledovanie metoda differentsial'noi spektrozonal'noi vizualizatsii [A study of the differential multispectral imaging method]. Vestnik of NovSU. Ser.: Technical Science, 2018, no. 1 (107), pp.62-69.
4. Patent no. 2679921 RU, MPK H04N 7/18. Sposob formirovaniia tsifrovykh spektrozonal'nykh televizionnykh signalov [A method of forming a multispectral digital television signals]. M.A. Kalitov, N.P. Kornyshev. Applied: 28.04.2018. Published: 14.02.2019. Bul. no. 5.
