CC BY
61
УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
УДК 621.397.13
Н.П.Корнышев
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ
Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого
The principles of the television spectral system construction are considered. Their classification, the generalized structure chart, and practical recommendations on their design are given.
Получение изображений люминесцирующих объектов является одним из важнейших условий для проведения различного рода исследований, в частности, при проверке подлинности документов, банкнот и ценных бумаг, определении следов биологических жидкостей на поверхностях тканей, исследовании предметов живописи, при анализе продуктов полимеразной цепной реакции (ПЦР) в молекулярной биологии и т.п. Традиционно в указанных выше областях для получения изображений применяется фотографический метод [1-3]. Замена фотографического метода визуализации люминесцирующих объектов телевизионным позволяет не только существенно повысить оперативность получения изображений, но и в сочетании с методами компьютерной обработки решить целый ряд проблем, связанных с анализом количественных параметров, топологических характеристик, повышением качества визуального восприятия, документированием и т.д.
Изображения люминесцирующих объектов можно выделить в отдельный класс, обладающий рядом характерных особенностей:
1. Отчетливо выраженная бимодальность гистограммы распределения яркости элементов изображения. Первая и наиболее мощная мода соответствует темному фону, вторая менее мощная мода - светлым объектам, расположенным на этом фоне.
2. Значительный динамический диапазон изменения полезного сигнала, который может простираться от уровня шумов до максимального значения динамического диапазона фотоприемника.
3. Статический (постоянный во времени) характер сюжета.
Перечисленные особенности люминесцентных изображений, а также специфика их формирования позволяют выделить в отдельный класс аппаратуры телевизионные спектральные системы (ТСС) как комбинированные устройства, в которых интегрированы источник возбуждения люминесценции (ИВЛ), телевизионная камера в качестве приемника люминесценции (ПЛ), элементы светозащиты, устройства аналоговой и цифровой обработки, оптимальное сочетание которых обеспечивает получение изображений с максимально возможным качеством (контрастом).
Данный новый класс телевизионной аппаратуры не рассматривался с точки зрения общего подхода к проектированию, отсутствует классификация ТСС и математическая модель, пригодная для оптимизации системы. В настоящей статье предлагается классификация ТСС, обобщенная структурная схема, модель системы, рассматриваются принципы построения ТСС, даются практические рекомендации по проектированию.
ТСС могут быть условно классифицированы следующим образом.
По количеству спектральных диапазонов визуализация люминесценции:
моноспектральные ТСС — для обнаружения объекта с априорно известными спектральными характеристиками, имеют фиксированные светофильтры С1 и С2, выделяющие соответственно спектр поглощения и спектр люминесценции;
мультиспектральные ТСС — для обнаружения широкого класса объектов, обладающих различными спектральными характеристиками, в том числе, априорно неизвестными, имеют наборы светофильтров С1 и С2.
По типу источника возбуждения люминесценции:
непрерывные, в которых используются ИВЛ, постоянно излучающие свет во время работы ТСС;
импульсные, в которых используются лампы-вспышки, обладающие высокой мощностью излучения в импульсе.
По типу приемника люминесценции:
стандартной чувствительности — с фотоприемником обычной чувствительности до 0,01 лк;
высокочувствительные — с фотоприемником, имеющим чувствительность от 0,01 лк и выше.
В основу структурной схемы ТСС может быть положена классическая схема установки для исследования люминесценции приведенная на рис.1.
В
Рис.1. Схема установки для исследования люминесценции. ИВЛ — источник возбуждения люминесценции; В — исследуемое вещество; С1 — светофильтр, выделяющий спектр поглощения исследуемого люминесцирующего вещества; С2 — светофильтр, выделяющий спектр люминесценции исследуемого вещества; ПЛ — приемник люминесценции
С учетом специфики телевизионного формирования сигнала изображения и рассмотренных выше областей применения обобщенная структурная схема ТСС может быть представлена в следующем виде (рис.2).
Рис.2. Обобщенная структурная схема ТСС. С и С2 — светофильтры (или наборы светофильтров для ТСС); ИС — источник света (или набор источников света для ТСС); УВИ — устройство ввода изображений; Уквс — узел коррекции видеосигнала; ФП — фотоприемник
Для моноспектральной ТСС могут быть поставлены задачи оптимизации в системе реально существующих ограничений [4]. Предлагаемая для решения этих задач математическая модель изображена на рис. 3.
ш Щ
Рис.3. Математическая модель ТСС: ИВЛ — источник возбуждения люминесценции со спектральной мощностью 'М(Х); ПЛ — приемник люминесценции со спектральной чувствительностью Е(Х); ИС — источник света со спектральной мощностью Р(Х); ФП — фотоприемник со спектральной чувствительностью О(Х); С — светофильтр в ИВЛ с коэффициентом пропускания С^Х); С2 — светофильтр в ПЛ с коэффициентом пропускания С2(Х); — мощность излучения люминесцирующего объекта; Лф — мощность из-
лучения фона
Интенсивность 30 пропорциональна спектральной мощности ИВЛ Ж(Х), которая определяется характеристиками ИС и светофильтра С1:
Ж (к) = Р(к)С^к),
при этом численное значение спектральной мощности определяется следующим выражением [5]:
к2
Ж = | Р(к)С1(к)Ск.
Х1
В реальной системе возможно появление люминесценции фона с мощностью Jф, на котором расположены исследуемые объекты. Эта паразитная составляющая может частично или полностью совпадать со спектром люминесценции объекта.
Пусть А0 — коэффициент, характеризующий люминесцирующие свойства объекта, а АФ — коэффициент, характеризующий свойства фона, причем Ао > Аф. Тогда
J0(k) = Ао -Ж(к), Jф(к) = Аф-Ж(к).
Светофильтр С2 с согласованным со спектром люминесценции коэффициентом пропускания С2(Х) обеспечивает выделение спектра люминесценции исследуемого объекта и устранение составляющих, создающих паразитные засветки вне спектра люминесценции.
Результирующая спектральная чувствительность ПЛ Е(Х) прямо пропорциональна спектральной чувствительности ФП в(Х) и коэффициенту пропускания С2(Х):
Е(Х) = 0(Х)С2(Х),
и вычисляется по формуле:
к 2
Е = | в(к С2 (к )Ск.
к1
Полный ток ПЛ может быть определен следующим образом [5]:
к2
I = | Е(ку (к)Ск,
к1
где J (к) = J0 (к) + Jф (к) — суммарная мощность излучения, поступающая на вход ПЛ. Данное описание справедливо для ИВЛ и ПЛ, имеющих идеальные (неперекрывающиеся) ха-
рактеристики. Однако в реальной ТСС спектральные характеристики ИВЛ и ПЛ перекрываются (рис. 4).
Рис.4. Спектральные характеристики реальных ИВЛ и ПЛ: Хп1, Хп2 — границы диапазона длин волн, соответствующие спектру поглощения; Хл1, Я.л2 — границы диапазона длин волн, соответствующие спектру люминесценции
Как видно из рис.4, Ж(Х) и Е(Х) могут быть представлены в виде суммы из двух составляющих: полезной и паразитной. В ИВЛ полезная составляющая спектральной мощности Ж0 идет на возбуждение люминесценции объекта, а паразитная Жф — на создание фоновой засветки для ПЛ. В ПЛ полезная составляющая спектральной чувствительности Ео идет на формирование полезного сигнала люминесцирующего объекта, а паразитная Еф — на формирование фонового сигнала от излучения, проникающего в ФП в области спектра поглощения.
Таким образом, полный ток фотоприемника может быть представлен в виде суммы следующих составляющих:
1 |0 + 1ф + 1ф1 + Iф2,
где 10 = Е0) ~ А0Ж0Е0 — полезный сигнал объекта; 1ф = /Цф, Еф) ~ АфЖ0Е0 — паразитный
сигнал люминесцирующего фона; 1ф1 = /(Жф, Е0) ~ ЖфЕ0 — паразитный сигнал фоновой засветки от ИВЛ в области спектра люминесценции; 1ф2 = Ж0, Еф) ~ Ж0Еф — фоновый сигнал от паразитной чувствительности ФП в области спектра поглощения.
Аналогично выражению для оптического контраста [5] запишем выражение для контрастности люминесцирующего объекта по отношению к фону, используя значения составляющих полного тока фотоприемника:
к =10 - |ф - |ф1 - |ф2 или к = 1 - ^ - Еф - Аф .
|0 Ж0 Е0 А0
Это выражение можно рассматривать как целевую функцию, которую необходимо максимизировать в условиях накладываемых ограничений. Его анализ показывает, что для идеальной системы, в которой Е = 0, Ж = 0, отсутствуют ограничения для повышения чувствительности ПЛ и мощности ИВЛ с целью обнаружения слаболюминесцирующих объектов с максимальным значением контраста при Аф = 0.
Наличие в системе люминесцирующего фона с площадью 50, превышающей площадь объекта 5ф, не только уменьшает контраст получаемого изображения, но и негативно сказывается на эффективности использования динамического диапазона ФП, реагирующего на интегральный световой поток.
Таким образом, принимая во внимание выражение для интегральной чувствительности системы [5] п = — как фототок насыщения I, рассчитанный на один люмен светового Ф
потока Ф, выделим в общем световом потоке две составляющие: Ф0 — световой поток от люминесцирующего объекта и Фф — световой поток от люминесцирующего фона. Составляющие фототока определяются как I = 10 + 1ф, где 10 = ^^050Рср — фототок от объекта;
1ф = 'лАфДфР^ — фототок от фона; Рср — средняя мощность ИВЛ. Тогда выражение для контраста в идеальной системе приобретает вид
к = 1 -
А0 ^0 '
Это выражение позволяет учесть влияние характера сюжета на параметры получаемого изображения.
Рассмотрим практические вопросы реализации ТСС в соответствии с приведенной выше обобщенной структурной схемой [6-9].
Источники света, используемые в ТСС, как правило, имеют достаточно широкий спектр, из которого надо выделять участки, соответствующие спектрам поглощения исследуемых веществ. Так, например, обычно используемые в качестве источников ультрафиолетового света эритемные и бактерицидные лампы имеют кроме полезной УФ составляющей достаточно мощное излучение в видимой и инфракрасной областях спектра. В качестве светофильтра С1 в ИВЛ ультрафиолетового диапазона могут применяться стандартные светофильтры типа УФС.
Для возбуждения люминесценции в красной и инфракрасной областях спектра достаточно эффективны галогенные лампы, из широкого спектра излучения которых выделяется сине-зеленый диапазон. В качестве светофильтра С1 для таких ИВЛ используются либо светофильтры типа СЗС, либо узкополосные интерференционные фильтры. Увеличение мощности в ИВЛ может быть достигнуто за счет применения импульсных кварцевых ламп-вспышек, излучающих в широком диапазоне от коротковолнового (200 нм) ультрафиолетового до ближнего (1000 нм) инфракрасного.
В качестве фотоприемника в ТСС применяются телевизионные камеры на основе матриц приборов с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-матрицы стандартной чувствительности (0,1-
0,01лк) могут использоваться только для визуализации достаточно интенсивной, хорошо наблюдаемой невооруженным глазом люминесценции, например свечение элементов защиты в денежных знаках и ценных бумагах. Для телевизионного наблюдения люминесценции, интенсивность которой лежит на границе визуального метода обнаружения, необходимо использовать ПЗС-матрицы с повышенной чувствительностью (0,01-0,008лк). Достаточную для этих целей чувствительность имеют ПЗС-матрицы с микролинзами. В современных ПЗС-матрицах интегральную чувствительность увеличивают в основном за счет подъема в ближней ИК области спектра, что оказывается полезным при визуализации ИК люминесценции. Для выявления люминесцирующих следов, не обнаруживаемых визуальным методом, требуются специальные камеры с длительным накоплением на мишени или камеры с электроннооптическим преобразователем (ЭОП), обеспечивающие чувствительность от 0,008 лк. Камера с ЭОП дает возможность наблюдения изображения в реальном времени, однако со значительным уровнем шума, который необходимо устранять цифровым накоплением. При накоплении на мишени отсутствует возможность наблюдать объект в реальном времени, однако несомненным достоинством данного метода является его высокая эффективность за счет накопления сигнала до воздействия шума телевизионного канала.
Для визуального выявления слабовидимой люминесценции оказывается полезным усилить зашумленный сигнал, который за счет интегрирующих свойств зрения человека может быть обнаружен на экране монитора. Для этих целей весьма эффективны корректоры видеосигнала, обеспечивающие его аналоговую обработку — дополнительную регулировку уровня «черного» и усиления.
Наличие в системе устройства ввода изображений и ЭВМ позволяет использовать цифровые методы обработки вводимых изображений. Для статических изображений люми-несцирующих объектов наиболее эффективен метод цифрового накопления видеосигнала, устраняющий равномерный шум.
Важным фактором для повышения чувствительности ПЛ является уменьшение потерь в оптике и использование светосильных объектов, а также светофильтров С2 с большим
коэффициентом пропускания в области спектра люминесценции и высокой степенью подавления вне ее.
На блок управления возлагаются функции выбора режима работы ТСС, а именно: включение нужного источника света и установка требуемого набора светофильтров С1 и С2.
Выводы
1. Особенности люминесцентных изображений, а также специфика их формирования позволяют выделить ТСС в отдельный класс телевизионных устройств.
2. ТСС можно характеризовать как комбинированные устройства, включющие источник возбуждения люминесценции, приемник люминесценции, элементы светозащиты, устройства аналоговой и цифровой обработки, оптимальное сочетание которых обеспечивает получение изображений с максимально возможным качеством (контрастом).
3. На основе обобщенной структурной схемы ТСС и модели, позволяющей оптимизировать ее параметры, могут быть построены системы для различных практических задач исследования люминесцирующих объектов, например в криминалистике, молекулярной биологии, медицине и др.
1. Криминалистика / Под ред. Р.С.Белкина. М.: Юридическая лит., 1986. 544 с.
2. Хрусталев В.Н. и др. Судебная фотография: Учебник для вузов. СПб.: Питер, 2005. 368 с.
3. Горбунова В.Н., Баранов В.С. Введение в молекулярную диагностику и генотерапию наследственных заболеваний. СПб., 1997. 287 с.
4. Ефимова Н.И., Корнышев Н.П. // Сб. тр. 10-й науч.-техн. конф. «Современное телевидение». М.: МКБ «Электрон», 2002. С.37.
5. Халфин А.М. Телевизионная техника. Л.: Энергия, 1971. 232 с.
6. Корнышев Н.П. Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине. В. Новгород: НовГУ, 2004. 226 с.
7. Пат. №2066930. Телевизионная спектральная система / Н.П.Корнышев, О.Ф.Родионов, Н.Г.Трошин. За-явл. 31.05.93. Опубл. 20.09.96. Бюл. №26. 2 с.
8. Пат. №2094849. Телевизионная система для контроля документов / Н.П.Корнышев, О.Ф.Родионов. Заявл. 10.01.95. Опубл. 27.10.97. Бюл. №30. 2 с.
9. Бутусов В.В., Корнышев Н.П., Родионов О.Ф., Челпанов В.И. // Спец. техника. 2003. №4. С.24-33.
