Primer digitalizacije televizijske i termovizijske slike Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Mr Zvonko Radosavljević,

dip), inž. Mr Mirko Jezdimirovtf, major, dip), ini. Vojnotehnitki insiiiut VJ.

Beograd

PRIMER DIGITALIZACIJE TELEVIZUSKE I TERMOVIZUSKE SURE

UDC: [621.384.3:536.5]+62l.397.13:681.32

Regime:

U ovom radu predstavljen je sistem za digitalizaeiju i prikaz televizijske i termovizijske slike, namenjen zo dalju obradu slike. Slika dobijena iz televizijske, odnosno termovizijske kamere se preko kartice frame grabber DT3153 uvodi u personalni raiunar gde se digitalizuje i kao takva dalje obraduje i prikazuje. Predstavljena je digiializacija televizijske i termovizijske slike na PC računarima so raspoloiivom opremom.

Ključne reči: digiializacija, televizija, termovizija, praćenje, digitalna obreda slike.

AU EXAMPLE OF TV AND THERMAL IMAGERY

Summary:

This paper presents a system for TV and thermal imagery digitalization and display, intended for further image processing. The image obtained front TV/thermal camera is entered, through the DT3153 frame grabber card, into PC where it is digitalized and then processed and displayed. The digitalization of TV/thermal imagery on PSs with corresponding equipment has been presented.

Key words: digitalization, television, thermal imagery, tracking, digital image processing.

Uvod

Najnovija zbivanja u okružcnju, ve-zana za ratna dejstva, pokazala su da je upotreba aktivnih senzora u vojnim pri-menama znatno ograničena, dok su pa-sivni senzori došli do većcg izražaja. Ovaj rad govori o formiranju, kao i detekeiji i praćenju objekata na sceni, primenom televizijskih (TV) i termovizijskih (IC) senzora.

U novije vreme napredak tehnolo-gije je doveo do razvoja veoma uspešnih antiradarskih sistema (ALARM i HARM), pa je upotreba aktivnih sistema

osmatranja ograničcna na kraće vremen-ske intervale. To je bio jedan od osnovnih razloga što su razvijeni pasivni sistemi osmatranja, čiji su glavni prcdstavnici televizijski i infraerveni (IC) senzori. Na taj način u potpunosti je izbegnuta mo-gućnost bližeg pozicioniranja mesta sistema za osmatranje i detekeiju, a samim tim i moguenosi njihcvog uništenja.

Nastanak termovizijskih uredaja za detekeiju i pozicioniranje objekata na sccni vezan je, uglavnom, za povedanje efikasnosti pri dnevnom osmatranju i osmatranju u noćnim uslovima, kao i osmatranju u uslovima smanjene dnevnc

VOJNOTEHNIĆKI GI.ASNIK 3^001

315

vidljivosti ili loSih vremenskih pritika. U vojnim aplikacijama termovizijski senzori mogu da prate i detektuju označeni tak-tički objekat u svim vremenskim uslovi-ma, danju i noću.

Informacije o objektu dobijaju se i prikazuju u obliku sopstvenog elektro-magnetnog zračenja pozadine i objekta. Pronalaskom teleskopa, a kasnije i televi-zije, bilo je omogućeno dnevno osmatra-nje objekata, ali u noćnim uslovima nije moguće postići željene rezultate. Zbog toga su počela prva vojna ispitivanja in-fracrvenih senzora koja su merila sop-stveno zračenje pozadine i objekta u infrac-rvenom delu elektromagnetnog spektra, još početkom ovog veka. Tako sc prva upotrcba IC senzora u vojne svrhe beleži jo$ u Prvom svetskom ratu [1].

Razvojem tchnologije obavljeni su ozbiljniji eksperimenti na dobijanju IC siike. Izmedu dva rata, oko 1930. godine, razvijeni su prvi uredaji za osmatranje merenjem zračenja u infracrvenom op-segu.

Pri proučavanju cmobele fotografije, naročito pri pokušaju povećavanja spek-tralne osetljivosti filma, došlo je do pro-širenja spektra osmatranja. To je dovelo do pojave konvertora siike i multispek-tralnih senzora. Pored zahteva za prošire-njem spektralnog područja javila se po-treba za proSirenjem vidnog polja senzora. Oba ova zahteva zadovoljio je multi-spektralni skener koji formira IC sliku terena iz vazdušnog prostora.

Paralelno sa razvojem pojačavača siike, u području IC dugotalasnog opsega talasnih dužina, razvijene su diode koje su sposobne da detektuju nizak nivo ter-malne radijacije koji emituje svaki objekat. Napredak na tom polju rezultirao je proizvodnjom uredaja za termalnu sliku.

Opis sistema za obradn siike

Sistem za obradu siike, koji je ovde opisan, namenjen je za obradu televizij-skc i termovizijske siike. Slika dobijena iz televizijske ili infracrvenc kamere, od-nosno, video rikordera, preko frame grabber (FG) kartice uvodi se u perso-nalni računar gde se digitalizuje i dalje obraduje.

Sistem za obradu siike sastoji se od sledećih podsklopova:

- personalnog računara sa FG karti-com;

- CCD (charge coupled devices) kamere sa zumom i/(ili) infracrvene (IC) kamere;

- TV monitora;

- video rikordera (VCR);

- napajanja.

Na slici 1 predstavljena je blok-šema sistema za detekciju i prikazivanje objekata na sceni. Alternativno su prikazana dva senzora siike: televizijski (TV) senzor i termovizijski (IC) senzor. Oba senzora imaju na izlazu kompozitni video signal lVp.p (1 Volt peak to peak) koji se vodi na uredaj za zapis analogne siike, video rikorder (VCR). Tako zapisana analogna slika može se pratiti na TV prikazivaču (monitoru), a signal se istovremeno vodi na sistem za „zamrzavanje" (FG). Zatim sc slika vodi na analogno - digitalni (AD) konvertor koji obavlja kvantovanje i ko-dovanje analognog video signala. Na taj način slika je digitalizovana i predstavlja matricu 576 x 768 piksela sa 256 kvanti-zacionih nivoa sivog. Takva slika skladišti se u memoriju računara i poziva u blok za obradu gde se uz upotrebu odgovara* jućeg softvera vrSi željena obrada siike. Po završenoj obradi slika se vraća u memoriju računara, odakle se prikazuje na monitoru.

316

VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 3/2001.

Obrada slike (o kojoj u ovom radu neće biti reči) predstavlja složen proces, a sastoji se od [2]:

- digitalne konverzije slike, koja se zasniva na konverziji kontinualnog polja slike u ekvivalentni digitalni oblik. Postu-pak digitalizacije vrši se po vremenu (od> meravanje) i po ntvoima (kvantovanje). Digitalizacijom se, pomoću određenog softvera [3], vrši pretvaranje analogne televizijske ili termovizijske slike preko FG u neki od digitalnih formata kao što su BMP, JPEG, TIF, TGA ili GIF;

- filtriranja, koje ima za cilj da izvrSi osnovnu i poćetnu predobradu slike, što podrazumeva oslobađanje slike od šuma, kao i smanjenje redundanse (suvišnih detalja);

- izračunavanja srednje osvetljeno-sti fona (okoline) u posmatranom pro* zoru;

- izdvajanja tačke sa minimalnim ni-voom sivog, kao i tačke sa maksimainim nivoom sivog;

- utvrdivanja koji je od pomenutih objekata dominantniji, radi odlučivanja da li će se pratiti svetli ili tamni objekti;

- izračunavanja praga odluke za sve-tie i tamne objekte;

- izdvajanja objekta iz okoline;

- izračunavanja koordinata objekta. odnosno korektivnih koordinata;

- izračunavanja veličine objekta i uticaja na promenu prozora praćenja;

- prosieđivanja podataka računaru za obradu slike.

VOJNOTEHNlCKI GLASNtK 3/2001.

317

Namena sistema za obradu slike

Kako obrada slike ima Široku pri-mcnu u mnogim oblastima (nauka, tehni-ka, medicina, zabava) i namena sistema za obradu slike može biti različita. Ovde će biti navedene samo neke od mogućih namena sistema za obradu slike, sa kra-ćim osvrtom na problematiku koju obra-duju, i zahteva koji pri tome nastaju.

Najčešća primena obrade slike obu-hvata neke od sledećih zahteva:

- pretvaranje analogne slike u digi-talni oblik i njeno prevodenje i zapis u nekom od poznatih format a. kao što su GIF, JPEG, TIF, TGA i drugi;

- prikaz digitalizovane slike ili dela slike sa cvcntualnim mogućnostima iseca-nja. njenom skupljanju i širenju sa moguć-nostima rotaeije i invertovanja;

- promenu osvetljaja i kontrasta, promenu palete boja, inverzni prikaz, kao i pretvaranje u nijanse sive boje;

- isticanje ivica, ertanje histograma, primenu raznih filtera radi prilagodavanja slike konkretnim aplikaeijama i odstranji-vanja neželjenih efekata.

Samostalno razvijanjc ovakvih alata predstavlja dug i komplikovan proces. Međutim, navedeni zahtevi rešavaju se u mnogim softverskim paketima odvojeno ili kao jedna od opeija uz druge mogućno-sti. RazliČiti speeijalizovani proizvođači softvera nude pojedine ,,biblioteke“ koje se mogu koristiti za različite namenc, a njihova cena se krcćc od nekoiiko stotina do nekoiiko hiljada dolara.

Primcnom softverskog paketa koji obavlja većinu navedenih zahteva u obradi slike dobija se snimak koji je prikazan na slici 2. Osnovni interfejs raden je u Visual C+ + , a korišćenc su gotove biblioteke Image View [4],

Jcdan od najvažnijih problema u pro« cesu obrade slike predstavlja rad u real* nom vremenu, pod kojim se podrazu-meva obrada i prikaz više od 20 slika u sekundi, $to se smatia najnižim pragom osetljivosti oka, jer bržc promene oko ne možc da registruje. Da bi sc postigao rad u realnom vremenu potreban je poseban hardver sa speeijalizovanim procesorom slike, kao i grafičke kartice sa odgovara-jućim algoritmima. U okviru vojne pri-mene obrada slike se koristi za detekeiju i praćenja objekata nasceni: kopnu, moru i vazdušnom prostoru, danju i noću, u svim vremenskim uslovima, u realnom vremenu.

Obrada slike u realnom vremenu može sc odnositi i na posmatranje raznih fizičkih i hemijskih procesa. Složenost zavisi od brzine pojedinih procesa, kao i senzora za njihovo registrovanje. Pored toga, javljaju se problemi pri odredivanju povrSine, dimcnzije, konturc [6], Primena obrade slike u medicini je, takode,

318

VOJNOTEHNIĆK! GLASNIK 3/2001.

rasprostranjena, posebno kod dijagno-stike oboljenja pojedinih organa.

Problem senzora je kako izvršiti sni-manje pojedinih organa (ultrazvuk, ren* tgen, TV ili IC), a kada se dobije digitalni zapis slcdi vel poznata problematika obrade slike.

Tipičan primer obrade slike u real-nom vremenu predstavlja praćenje po-kretnih objekata kao 5to je let aviona. Pri tome se vrši selekcija objekta (ili mogućeg objekta), odreduju se koordinate tog objekta u odnosu na nultu koordinatu (gornji levi ugao ekrana), obavlja se za-hvatanje i praćenje tog objekta i šalju korektivne koordinate greške računaru koji upravlja servosistemom, odnosno kretanjem uredaja za praćenje (trackera).

U slučaju raketnih sistema starije generaeije ili sistema za praćcnje sa zem-lje u pitanju su numeričke vrednosti ko-rektivnih koordinata kojc treba prevesti u analogne naponske vrednosti, koje mogu biti pozitivne ili negativne. Radi toga se računaru dodaje digitalno-ana-logni (D/A) konvertor koji ima za cilj prevođenje izračunatih vrednosti korek-cije vektora kretanja objekta u naponski signal (na primer opsega ±10 V). Takav signal dolazi kao signal greSke u sistem negativne povratne sprege. On daje ko-mandne signale sistemu za pozicioniranje objekta dovodeći objekat u centar konča-nice. Za uspešno pogadanje objekta po-stoji jo5 jedan veoma važan parametar. a to je rastojanje do objekta [5|.

U sistemima novije generaeije korek-tivni signal greSke u negativnoj povratnoj sprezi je digitalni signal. U tom slučaju nije potrebna D/A konverzija signala greSke.

U poslednje vreme, za merenje da-ljine najčeSće se koristi impulsni taserski daljinomer. On u momentu pozicionira-

nja objekta koristi laserski impuls koji trenutno ozrači objekat dajud vrednost rastojanja do objekta. To je ujedno i mana ovog sistema, jer objekat ima infor-maeiju da jc ozračen iaserskim zrakom. a samim tim i otkriven.

Za merenje rastojanja do objekta mogu se koristiti i pasivne metode trian-gulacije, uz pomoć dva optoelektronska senzora ili iz geometrije slike, ukoliko je poznato o kojoj vrsti leteliee je reč. Infor-maeiju o daljini do objekta mogućc je dobiti i na osnovu poznavanja temperature objekta (primenom termovizijskc sli-kc). Međutim, ovaj način odredivanja rastojanja do objekta povezan je sa nizom problema iz oblasti prostiranja infraerve-nog zračenja kroz atmosferu.

Na slid 3 predstavijen jc snimak ekrana primenom softverskog paketa za obradu i prikaz pokretnih objekata [3]. Na slici se vidi objekat koji sc kreće, u ovom slučaju avion, nepokretna konča-nica i pokretna končanica (koja je pra-vougaonik određenih dimenzija). U 1c-vom gornjem uglu predstavljene su koordinate objekta u pikselima, kao i indika-cija objekta.

Sledcća oblast u kojoj obrada slike ima veliku primenu je prepoznavanje oblika i objekata. To se odnosi na prepo-

wmmammBammsKmmm

IOIO

@ -

¥ **

SI. 3 - Prućoije pokreinog objekta

VOJNOTEHNIĆKI GLASNIK 3/2001.

319

SI. «/ - Prikaz snimka aviona primenom TV kamere

znavanjc karaktcra pri obradi tcksta (pre-poznavanjc skeniranog teksta), prcpo-znavanje oblika u vojnoj primeni (tipa aviona, tcnka, broda ili nckog značajnog objckta), itd. Rešavanje ovih problcma povezano je sa radom na bazama podata-ka. Prvo se snima objekat (na primer 150 raznih pozicija) i formiraju sc baze za pojedine objekte, kao i baze raznih objc-kata. Kada se izvrši registrovanje obje-kata ondn sc u' pomoć različitih algori-tama prepo/najc objekat.

Prikaz digitalizovanih slika

Na sledećim slikama predstavljeni su digitalizovani TV i IC snimci.

Na slici 4 prikazan je televizijski snimak aviona G-4 u vazdušnom prosto-ru. Na snimku su, pored jasno uočljive konture aviona, predstavljeni identifika-cioni brojevi snimka i senzora, kao i vrednosti ugla azimuta (A) i elevacije (E) pod kojima je kamcra okrcnuta prema objcktu.

Na slici 5 prikazan je termovizijski snimak potencijalnog objekta u vazdu-šnom prostoru. Na margini slike nalaze se sledeći osnovni parametri senzora:

NFOV (narow Field of view) - usko vidno polje senzora, FOCUS FAR - uključeno fokusiranje, BLACK-HOT - topliji delo-vi, koji su prikazani lamnijim tonovima na slici, AUTO G/L (Auto Gain/Level) - automatsko podcšavanje pojačanja i nivoa sivog.

SI. 5 - Termovizijski snitnak mogućeg objekta u vazduinom prostoru

SI. 6 - IC snimak helikoptera

320

VOJNOTEHVlCKI GLASNIK 3/2001.

Na slici 6 prikazan je snimak helikop-tera snimljen termovizijskom kamcrom u noćnim uslovima. Ovde se može uočiti osnovna prednost termovizije u odnosu na televiziju. Naime, za termovizijski snimak nije bitno doba dana. Tamna kon-tura na snimku, uokvirena končanicom, pripada onom segmentu slike na kojem se nalazi objekat.

SI. 7 - Dve sukcesivne termovizijske slike aviona u vazdušnom prostoru

SI. 8 - Termovizijski snimak objekta u vazdušnom prostoru

Na slici 7 prikazane su dve sukcesivne slike aviona u vazdušnom prostoru snimljene u intervalu od 40 ms. Ovakvi uzastopni snimci koriste se za aproksima-ciju kretanja objekta u vazduSnom prostoru. Na svakom pojedinačnom snimku pronalaze se koordinate ili korektivne koordinate objekta. Na taj način može da se formira vektor kretanja objekta, koji u sebi sadrži informaciju o brzini, ubrza-nju i položaju objekta u odnosu na levi gornji ugao slike ili centar slike.

Na slici 8 prikazan je objekat u vazdušnom prostoru, kao WHITE-HOT, što znači da su topliji delovi na snimku predstavljeni svetlijim nijansama.

Na slikama 9a i 9b prikazan je jedan isti mlazni avion, snimljen kao WHITE--HOT u dve moguće situacije. Slika 9a prikazujc mlazni avion u odlasku, i na njoj se može uočiti odraz dva mlazna motora, a na slici 9b vidi se isti mlazni avion u dolasku. sa odrazom siluete aviona koja je slabija nego u slučaju na slici 9a.

Trodimenzionalni prikaz amplituda nivoa sivog tcrmovizijskih snimaka dat je na slikama 11 i 13 (7). Na slici 10 prikazan je termovizijski snimak helikoptera na rastojanju 7000 m, a na slici 11 odgovara-

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3/2001.

321

SI. 9a - Termovizijske slike aviona u odlasku na rastojanju od 9000 m

mestima gde se nalazi objekat, što omo gućava preciznije određivanje praga ni-voa sivog, a samim tim povećava verovat-noću otkrivanja objekta. Problem koji se

SI. 10 - Termovizijski snimak helikopttra na rastojanju od 7000 m

jući dijagram amplituda nivoa sivog, gde su x i y koordinate pojedinih piksela termovizijskog snimka u rezoluciji 768 x 576 piksela. Na slici 12 prikazan je termovizijski snimak aviona na rastojanju 9000 m, a na slici 13 odgovarajući dijagram amplituda nivoa sivog. Na njima sc mogu uočiti maksimalne vrednosti na

0 0 X

5/. 11 - Trodimenzionatni prtkaz amplituda nivoa sivog termovizijski slike sa si. JO

SI. 12 - Termovizijska slika aviona na rastojanju od 9000 m

322

VOJNOTEHNICKI GLASNIK 3/2001.

SI. IS - Trodimenzionalni prikaz amplituda nivoa sivog termovizijske slike sa si 12

ovde pojavljuje su maksimumi koji potiču od končanice nišanskog sistema ili šuma na snimku, ali sc mogu ukloniti.

Zakljucak

U ovom radu bliže je predstavljcna problcmatika formiranja kao i detekcije i praćenja objekata na sceni. Takodc, može poslužiti kao osnova za dalju pri-menu obrade slike u raznim sferama ljudskog interesovanja (tehnici, medicini, filmu...).

Sistem koji jc ovde prikazan, samo je jedan partikularan slučaj mogućeg sistema za obradu slike. Njegova koncep-cija i način rada vezani su za konkretnu aplikaeiju u domenu vojne primene.

Takođe, predočene su razne moguć-nosti primene sistema za obradu slike u raznim oblastima ljudskog interesovanja. Prikazani snimei TV t IC slike dobijeni su opisanom opremom i odredenim sof-tverom.

Odabiranje sistema za digitalizaeiju i prikaz teievizijske i termovizijske slike zavisi od konkretne namene za obradu

slike. U prikazanom sistemu slika dobi-jena iz TV, odnosno IC kamerc ili video rikordera, preko FG kartice DT 3153, uvodi se u personalni računar gde se digitalizuje, i kao takva dalje prikazuje i obraduje. Brzina obrade snimaka pred-stavlja jedan od najvažnijih zahteva u ovoj oblasti. Za povećanje brzine uglav-nom se koristc speeijalizovani procesori za obradu signala slike, a za te potrebe postoji mnoštvo raz.ičitih hardverskih sklopova za ,,zamrzavanje“ i digitalizaeiju slika. Predstavijen je samo jedan od mo* gućih konkretnih sistema za digitalizaeiju teievizijske i termovizijske slike na perso-nalnim računarima.

Tcrmalna slika nosi mnogo više in-formaeija nego standardna TV slika u vidljivom delu spektra, tako da se pred-viđa njena veća primena, ali je IC senzor mnogostruko skuplji od TV senzora. To je često ograničavajuci faktor u primeni termovizijskih senzora. Drugi nedostatak termovizijskih senzora ogleda se u znatno manjoj rezolueiji u odnosu na TV senzo-re. Imajući u vidu pomenute činjenicc, može se zaključiti da svaka konkretna primena zahteva adekvatnu analizu iz-bora hardvera.

Uurtuum:

|1| Barbark. 2... Pnlog metodami a analizu i obradu signals termalne slike formtmnc linijskifn skeniranjem. doktorska dnenaeija. ETF Beograd, 1991.

|2| Bojkovk. Z.: Digital!« obradi slike. Naikna knjiga. Beograd. 1989.

|3| DATA TRANSLATION. Iter Manual DT31S3. 1996.

|4| Paul Yao i Richard C. LciiKckcn Visual C++5 Btblija. Mikro knjiga. Beograd. 1998.

|5| Bursać, $.: Analiza pnmene <f>toelekironskih tredstava na niianskc uredajc sa posebnim osvrtom na korii&njc terrao-vi/ijskib sistema. magisunki rad. ETF Beograd. 1991.

|6| Radosavljević Z-: Istkanjc ivea icrmalnih sbka metodom gradijentnog operators. XLII1 ETRAN. Zlatibor. 1999.

|7| Radosavljevk. Z.: Dctekdja i ponooniranje objekata na slid primenom termovirije. mapstarcki rad. Beograd. 2000.

VOJNOTEHNlCKI GLASNIK 3/2001.

323