Способ формирования, передачи и восстановления сигналов разноспектральных изображений

Изобретение относится к области спектрозонального телевидения, использующего регистрацию отраженного или излученного потока в нескольких зонах оптического спектра. Техническим результатом является обеспечение возможности формирования сигналов разноспектральных изображений для нескольких зон регистрации лучистого потока внутри широкого спектрального участка и повышения достоверности обнаружения, селекции и распознавания объектов. Результат достигается тем, что после расщепления входного лучистого потока F(λ) на два идентичных потока и их пропускания через два широкополосных оптических фильтра ΟΦ₁ и ОФ₂, спектральная характеристика которых взаимно противоположна и удовлетворяет условию Φ₁(λ)=1-Φ₂(λ) в спектральном участке с длиной волны от λ₁ до λ_n, и преобразования лучистых потоков с использованием двух матричных фотоприемников, имеющих одинаковую прямоугольную спектральную характеристику в спектральном участке с длиной волны от λ₁ до λ_n, формируют два исходных интегральных сигнала изображений U₁(t) и U₂(t), далее отдельно для первого и второго интегрального сигналов изображения U₁(t) и U₂(t) на основе анализа их текущих амплитудных значений вырабатывают для момента времени Δt_i, соответствующего одному i элементу изображения, m сигналов разноспектральных изображений путем их выборки из заранее подготовленного и хранящегося массива данных в устройстве памяти, которые включают некоторое множество амплитудных значений сигналов для каждой зоны регистрации Δλ_i, затем осуществляют обработку полученных m сигналов разноспектральных изображений, выбирают из m сигналов разноспектральных изображений любые три сигнала разноспектральных изображений, подают их на входы цветного видеоконтрольного устройства и осуществляют их отображение для визуального анализа, а также выполняют автоматическую селекцию заданных объектов на основе анализа распределения амплитудных значений m сигналов разноспектральных изображений внутри спектрального участка с длиной волны от λ₁ до λ_n. 2 табл., 1 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области спектрозонального телевидения, использующего регистрацию отраженного или излученного лучистого потока в нескольких зонах ультрафиолетовой (УФ), видимой (ВИ) или инфракрасной (ИК) областей спектра, и может быть использовано для решения задач обнаружения, селекции и распознавания объектов по их спектрально-энергетическим признакам и найти применение в системах дистанционного зондирования объектов, для автоматического контроля состояния или изменения спектральных характеристик объектов в наблюдаемом пространстве и др.

Вопросы спектральной селекции оптических изображений нашли свое отражение в работах [1-3], где рассматриваются принципы построения спектрозональных телевизионных (ТВ) систем для дистанционного зондирования Земли и показан выбор зон регистрации лучистого потока для селекции и классификации объектов при известных их спектральных характеристиках и отражаются основные вопросы спектральной селекции и распознавания объектов. Принцип спектральной селекции оптических объектов с использованием средств телевидения базируется на регистрации отраженного или излученного лучистого потока в нескольких спектральных зонах Δλ_i, располагаемых внутри широкого спектрального участка от λ₁ до λ_n. При этом в зависимости от решаемой задачи число зон регистрации может быть равным m=2, 3, 4, …, Р.

Как известно, в зависимости от типа объектов, величина отраженного или излученного лучистого потока будет неодинаковой в заданном спектральном участке от λ₁ до λ_n. Поэтому выбор числа зон регистрации лучистого потока в зависимости от количества и классов объектов в наблюдаемом пространстве играет важную роль при решении задач спектральной селекции [2]. Каждый объект материального мира (естественный или искусственный) характеризуется своим спектральным коэффициентом отражения падающего лучистого (светового) потока в спектральном участке длин волн от λ₁ до λ_n, который равен величине

ρ(λ)=F_o(λ)/F_п(λ),

где F_п(λ) - падающий лучистый (световой) поток от источника излучения, F_o(λ) - отраженный лучистый (световой) поток от объектов.

Коэффициент ρ(λ) характеризует величину отраженного лучистого (светового) потока от объектов некоторого множества {N} и зависит от длины волны источника лучистого потока, а также класса наблюдаемых объектов N={A, B, C, …, W}. Он принимает конкретные значения в интервале значений 0<ρ(λ)<1.

Наряду с выбором числа зон регистрации важное место отводится нахождению оптимальной ширины зон регистрации Δλ_i и их местоположению в заданном спектральном участке. Основным требованием является нахождение таких зон регистрации Δλ_i в спектральном участке длин волн от λ₁ до λ_n, где для большего числа объектов между собой обеспечивалось бы максимально возможное значение величины спектрального контраста, исходя из отражательной способности объектов [3].

В целом эффективность применения ТВ систем спектральной селекции в первую очередь зависит от возможности выбора таких наиболее информативных зон регистрации лучистого потока из их некоторого множества {М}={Δλ₁, Δλ₂, …, Δλ_i, …, Δλ_m}, которые бы удовлетворяли максимальному различию наблюдаемых объектов по спектрально-энергетическим признакам. При этом для наблюдаемого пространства возможны следующие ситуации:

- известно общее число объектов, равное N, а также распределение спектральных характеристик ƒ(λ) этих объектов по длине волны;

- имеются общие сведения о количестве объектов и ходе их спектральных характеристик по длине волны;

- отсутствуют достоверные данные (априорная неопределенность).

Каждая приведенная ситуация требует определенного подхода к выбору зон регистрации лучистого потока. Так, например, по отражательной способности лучистого потока, естественная и искусственная растительность, облачный и снежный покров, практически не различаются между собой в ВИ области спектра. В тоже время существуют отдельные спектральные зоны регистрации лучистого потока Δλ_i и Δλ_j, где они различаются между собой. Данные о спектрально-энергетических характеристиках объектов и общих принципах построения оптико-электронных систем нашли должное отражение в литературе [4-6].

Известны технические решения и способы, связанные с построением спектрозональных ТВ систем [7-8]. Эффективность предложенных способов и технических решений непосредственно связана со знанием спектральных характеристик объектов. Здесь требуется выбор зон регистрации лучистого потока в спектральном участке с длиной волны от Δλ_i до Δλ_n. обеспечивающих максимальное различие объектов по спектрально-энергетическим признакам.

С другой стороны, за счет возможной малой отражательной способности объектов и величины отраженного лучистого потока в сторону спектрозональной ТВ камеры, при использовании «узких» зон регистрации, может быть низкое отношение сигнал/шум в сигналах, что непосредственно влияет на достоверность селекции и распознавания объектов. Кроме того увеличение числа формируемых сигналов разноспектральных сигналов требует организации идентичного числа входных оптических каналов, а использование многосигнальных матричных фотоприемников приводит к уменьшению разрешающей способности исходных изображений.

Практический интерес представляет собой патент [9] на способ формирования спектрозональных сигналов, использующих в своей основе интегрально-дифференциальный метод регистрации лучистого потока.

Использование интегрального метода регистрации по входному лучистому потоку и его преобразование в сигналы изображения позволяет перейти к дифференциальному методу на уровне обработки самих зональных сигналов ТВ изображений. Такой способ отображает интегрально-дифференциальный метод регистрации лучистого (светового) потока и формирования сигналов разноспектральных изображений. В данном способе используются зоны регистрации лучистого потока с переменной шириной в спектральном интервале длин волн λ₁ до λ_n.

Осуществление регистрации входного лучистого (светового) потока с переменной шириной зоны по сравнению с узкими зонами регистрации лучистого потока позволяет с одной стороны, снизить требования к чувствительности ТВ датчиков, или при заданной их чувствительности, позволяет увеличить отношение значения сигнал/шум в разноспектральных изображениях.

Недостатком данного способа является то, что общее число формируемых сигналов разноспектральных изображений все же определяется количеством исходных сигналов с переменной шириной зоны регистрации в виде

где m - число исходных сигналов разноспектральных изображений, с переменной шириной зоны регистрации лучистого потока.

В качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения по совокупности признаков и операций над сигналами принят способ формирования и отображения спектрозональных телевизионных сигналов по патенту [10], в котором использует интегральный метод регистрации лучистого потока, где регистрация лучистого потока осуществляется в широком участке оптического спектра, по сравнению с дифференциальным методом, когда регистрация лучистого потока осуществляется в относительно узких зонах.

Суть формирования и отображения спектрозональных ТВ сигналов по известному способу [10] сводится к следующему. Формирование спектрозональных ТВ сигналов происходит по двухканальной оптической схеме, где процесс регистрации отраженного лучистого (светового) или излученного потока осуществляют внутри всего широкого спектрального участка с длиной волны от λ₁ до λ_n, для чего, после расщепления входного лучистого потока на два одинаковых потока F(λ), его пропускают через широкополосные оптические фильтры ОФ₁ и ОФ₂, для первого ТВ датчика имеющего спектральную характеристику Ф₁(λ), а для второго ТВ датчика - Ф₂(λ), причем спектральные характеристики первого и второго оптического фильтра охватывают весь спектральный участок от λ₁ до λ_n и удовлетворяют условию Ф₁(λ)=1-Ф₂(λ), после чего осуществляют деление первого сигнала на второй и формируют результирующий сигнал изображения в виде U_R(t), далее этот сигнал сравнивают с эталонными сигналами U_Э, например, сравнивая их по амплитуде, потом при совпадении этих сигналов, вырабатывают сигнал селекции U_S(t) для объекта с заданной известной или неизвестной спектральной характеристикой в наблюдаемом пространстве.

Использование оптических фильтров, спектральная характеристика которых удовлетворяет условию Ф₁(λ)=1-Ф₂(λ), позволяет формировать интегральные сигналы изображений и результирующий сигнал, который однозначно соответствует объекту, обладающему определенной спектральной характеристикой в спектральном участке длин волн от λ₁ до λ_n, что позволяет обеспечить автоматическую селекцию и осуществить формирование информации о нахождении, появлении или исчезновении в наблюдаемом пространстве объектов с произвольной априорно известной или неизвестной спектральной характеристиками.

При таком подходе, значения результирующего сигнала U_R(t), может принимать конкретные значения в зависимости от распределения спектральных характеристик объектов в интервале величин, а именно

0<U_R(t)<1, или U_R(t)=1, а также 1<U_R(t)<T.

Эталонные амплитудные значения сигналов U_Э(t) с заданной дискретностью находятся в интервале величин 0<U_Э(t)<1, U_Э=1 или 1< U_Э(t)<D при этом значение эталонного сигнала для селекции сигнала изображения конкретного объекта задается в интервале значений U_Э(мин)<U_Э<U_Э(мах), которое может регулироваться (уменьшаться или увеличиваться).

Результатом сравнения значений сигналов U_R(t) и U_Э(t) является формирование сигнала селекции U_s(t), несущего информацию о появлении, нахождении или исчезновении в наблюдаемом пространстве объектов, а также при условии селекции заданных объектов с произвольной априорно известной или неизвестной спектральными характеристиками

Рассматриваемый способ не позволяет осуществить одновременное формирование амплитудных значений сигналов спектрозональных изображений для широких и узких зон регистрации лучистого потока в заданном спектральном участке от λ₁ до λ_n, то есть совместить преимущества интегрального и дифференциального метода регистрации лучистого потока, что является его недостатком.

Технический результат - обеспечение возможности формирования сигналов разноспектральных изображений для нескольких зон регистрации лучистого потока внутри широкого спектрального участка и повышения достоверности обнаружения, селекции и распознавания объектов.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа формирования и отображения спектрозональных телевизионных сигналов, включающего регистрацию лучистого (светового) потока F(λ), внутри широкого спектрального участка с длиной волны от λ₁ до λ_n, его расщепление на два идентичных потока F(λ) и их пропускание через два широкополосных оптических фильтра ОФ₁ и ОФ₂, спектральная характеристика которых, взаимно противоположна и удовлетворяет условию Ф₁(λ)=1-Ф₂(λ) в спектральном участке с длиной волны от λ₁ до λ_n, преобразование лучистых потоков с использованием двух матричных фотоприемников, имеющих одинаковую прямоугольную спектральную характеристику в спектральном участке с длиной волны от λ₁ до λ_n, и формирование двух интегральных сигналов изображений U₁(t) и U₂(t), для чего вначале два интегральных сигнала изображений U₁(t) и U₂(t) модулируют и сформированный результирующий сигнал U_S(t) передают по каналу связи, на приемной стороне демодулируют результирующий сигнал U_S(t) и формируют два исходных интегральные сигналы изображений U₁(t) и U₂(t), далее отдельно для первого и второго интегрального сигналов изображения U₁(t) и U₂(t) на основе анализа их текущих амплитудных значений, вырабатывают для момента времени Δt_i, соответствующего одному i-элементу изображения m-сигналов разноспектральных изображений

U_1(Δλ1)(t),U_1(Δλ2)(t), …, U_1(Δλi)(t), …U_1(Δλm)(t),

U_2(Δλ1)(t),U_2(Δλ2)(t), …, U_2(Δλi)(t), …, U_2(Δλm)(t),

путем их выборки из заранее подготовленного и хранящегося массива данных в устройстве памяти, которые включают некоторое множество амплитудных значений сигналов для каждой зоны регистрации Δλ₁, со значениями, распределенными в области 0≤{U_iΔλi(t)}≤1, после чего осуществляют суммирование отдельных сигналов разноспектральных изображений, соответствующих амплитудному значению первого и второго интегрального сигнала изображения U₁(t) и U₂(t) и формирование сигналов разноспектральных изображений в виде

отражающих зоны регистрации Δλ₁, Δλ₂, …Δλ_i, …Δλ_m, затем осуществляют обработку полученных m-сигналов разноспектральных изображений U_Δλ1(t),U_Δλ2(t), …, U_Δλi(t), …, U_Δλm(t), выбирают из m-сигналов разноспектральных изображений любые три сигнала разноспектральных изображений и подают их на RGB входы цветного видеоконтрольного устройства и осуществляют их отображение для визуального анализа, а также выполняют автоматическую селекцию заданных объектов на основе анализа распределения амплитудных значений m-сигналов разноспектральных изображений внутри спектрального участка с длиной волны от λ₁ до λ_n.

Использование интегрального метода регистрации по входному лучистому потоку и его преобразование в сигналы изображения с использованием оптических фильтров, спектральная характеристика которых удовлетворяет условию Ф₁(λ)=1-Ф₂(λ), позволяет на основе сформированного текущего амплитудного значения двух интегральных сигналов изображений U₁(t) и U₂(t), отображающих распределение спектральной характеристики наблюдаемого i-объекта, выбрать из базы данных заранее подготовленные сигналы спектрозональных изображений U_Δλ1(t),U_Δλ2(t), …, U_Δλi(t), …, U_Δλm(t) для m-зон регистрации лучистого потока, при этом m≥2.

Исходя из спектрального участка с длиной волны от λ₁ до λ_n, где формируются сигналы спектрозональных изображений, можно выбрать зоны регистрации лучистого потока с одинаковой или произвольной шириной. При одинаковой ширине зоны регистрации, их число может быть найдено согласно

m=(λ_n-λ₁)/Δλ_i.

При разной ширине зоны регистрации, их число может быть найдено из выполнения условия

(λ_n-λ₁)=( Δλ₁+Δλ₂+, …, +Δλ_i+, …, +Δλ_m).

Для достижения указанного результата, предлагается способ формирования, передачи и восстановления сигналов разноспектральных изображений, включающий регистрацию лучистого (светового) потока F(λ), внутри широкого спектрального участка с длиной волны от λ₁ до λ_n, его расщепление на два идентичных потока F(λ) и их пропускание через два широкополосных оптических фильтра ОФ₁ и ОФ₂, спектральная характеристика которых, взаимно противоположна и удовлетворяет условию Ф₁(λ)=1-Ф₂(λ) в спектральном участке с длиной волны от λ₁ до λ_n, преобразование лучистых потоков с использованием двух матричных фотоприемников, имеющих одинаковую прямоугольную спектральную характеристику в спектральном участке с длиной волны от λ₁ до λ_n, и формирование двух интегральных сигналов изображений U₁(t) и U₂(t), в котором, вначале два интегральные сигнала изображений U₁(t) и U₂(t) модулируют и сформированный результирующий сигнал U_S(t) передают по каналу связи, на приемной стороне демодулируют результирующий сигнал Us(t) и формируют два исходных интегральных сигнала изображений U₁(t) и U₂(t), далее отдельно для первого и второго интегрального сигналов изображения U₁(t) и U₂(t) на основе анализа их текущих амплитудных значений, вырабатывают для момента времени Δt_i, соответствующего одному i-элементу изображения m-сигналов разноспектральных изображений

U_1(Δλ1)(t),U_1(Δλ2)(t), …, U_1(Δλi)(t), …U_1(Δλm)(t),

U_2(Δλ1)(t),U_2(Δλ2)(t), …, U_2(Δλi)(t), …, U_2(Δλm)(t),

путем их выборки из заранее подготовленного и хранящегося массива данных в устройстве памяти, которые включают некоторое множество амплитудных значений сигналов для каждой зоны регистрации Δλ_i со значениями, распределенными в области 0≤{U_iΔλi(t)}≤1, после чего осуществляют суммирование отдельных сигналов разноспектральных изображений, соответствующих амплитудному значению первого и второго интегрального сигнала изображения U₁(t) и U₂(t) и формирование сигналов разноспектральных изображений в виде

отражающих зоны регистрации Δλ₁, Δλ₂, … Δλ_i, … Δλ_m, затем осуществляют обработку полученных m-сигналов разноспектральных изображений U_1(Δλ1)(t), U_1(Δλ2)(t), … , U_1(Δλi)(t), … U_1(Δλm)(t), выбирают из m-сигналов разноспектральных изображений любые три сигнала разноспектральных изображений и подают их на RGB входы цветного видеоконтрольного устройства и осуществляют их отображение для визуального анализа, а также выполняют автоматическую селекцию заданных объектов на основе анализа распределения амплитудных значений m-сигналов разноспектральных изображений внутри спектрального участка с длиной волны от λ₁ до λ_n.

Спектрозональная ТВ система, реализующая предлагаемый способ формирования, передачи и восстановления сигналов разноспектральных изображений, представлена на фиг. 1. Позиции:

1 - объектив;

2 - устройство расщепления лучистого (светового) потока на два идентичных потока;

3 - оптические фильтры (далее ОФ);

4 - блок управления оптическими фильтрами;

5 - преобразователи «лучистый (световой) поток-сигнал» (матричные фотоприемники);

6 - синхрогенератор;

7 - усилители-формирователи;

8 - модулятор сигналов;

9 - канал связи;

10 - демодулятор сигналов;

11 - блок анализа, выборки и восстановления сигналов разноспектральных сигналов;

12 - блок памяти сигналов разноспектральных изображений;

13 - коммутатор и распределитель сигналов разноспектральных изображений;

14 - цветное видеоконтрольное устройство;

15 - блок автоматической селекции и распознавания объектов;

16 - блок управления.

Если нет необходимости передавать сигналы по каналу связи, то в структурной схеме системы (фиг. 1) блоки 8, 9 и 10 будут отсутствовать.

Синхрогенератор 6 формирует необходимые строчные и кадровые импульсы, которые используются для считывания изображений в матричных фотоприемниках (МФП) 5₁ и 5₂, для формирования на выходе усилителей-формирователей 7₁ и 7₂, интегральных сигналов изображений U₁(t) и U₂(t), а также поступают на входы блока 8.

В качестве МФП 5₁ и 5₂ могут быть использованы ПЗС матрицы, КМОП фотоприемники или другие преобразователи лучистого потока в электрический сигнал изображения. Поскольку, исходные сигналы изображений, получают путем регистрации лучистого потока во всем в широком спектральном участке с длиной волны от λ₁ до λ_n, то такие сигналы будут интегральными сигналами изображений.

Оптические фильтры (ОФ) 3₁ и 3₂ для первого и второго канала формирования интегральных сигналов изображений U₁(t) и U₂(t) имеют спектральные характеристики, удовлетворяющие условию Ф₁(λ)=1-Ф₂(λ). Поскольку общее число ОФ, удовлетворяющих данному условию может быть разным, выбираются отдельные группы ОФ. Для этого с помощью блока управления ОФ 4 изменяются спектральные характеристики ОФ 3₁ и 3₂ в зависимости от их исполнения (механическим - за счет замены ОФ, или электронным путем).

В спектрозональной ТВ системе (фиг. 1) используется двухканальная оптическая схема. Здесь общий входной лучистый поток F(λ) разбивается на два идентичных потока, каждый из которых проходит через свой оптический фильтр, имеющий спектральную характеристику в соответствии с условием Ф₁(λ)=1-Ф₂(λ).

Пройдя первый и второй ОФ лучистый поток F₁(λ) и F₂(λ) проецируется на рабочую поверхность первого и второго МФП 5₁ и 5₂. Каждый сформированный интегральный сигнал изображения с их выхода поступают на свой вход усилителя-формирователя 7₁ и 7₂, где происходят операции усиления, раздельной обработки сигналов и их смешивания со строчными и кадровыми импульсами. С выхода блока 7₁ и 7₂ интегральные сигналы изображений поступают на модулятор 8.

При передаче сигналов цифрового телевидения по каналам связи возможны разнообразные виды модуляции от амплитудной манипуляции (АМн) до многопозиционной квадратурной амплитудной манипуляции (КАМн) и ее разновидностей. Возможны следующие известные виды модуляции:

- амплитудная манипуляция (АМн), заключающая в дискретном изменении уровня амплитуды несущей;

- частотная манипуляция (ЧМн), заключающая в дискретном изменении частоты несущей при постоянной ее амплитуде;

- фазовая манипуляция (ФМн), заключающая в дискретном изменении фазы несущей и ее разновидности;

- многопозиционная квадратурная амплитудная манипуляция (КАМн) и др.

В основе современных методов передачи цифровых ТВ сигналов лежит использование модуляторов и демодуляторов на базе квадратурной схемы. Квадратурная модуляция осуществляется с помощью двух балансных модуляторов, на первые входы которых подается передаваемый сигнал U₁(t) и U_Q(t), а на вторые входы подается несущая со смещенной фазой на 90°. Как известно, при балансной модуляции в случае идентичности обеих плеч модулятора сигнал на выходе последнего возникает лишь при воздействии модулирующих сигналов. На выходе квадратурного модулятора образуется результирующий сигнал:

Данный сигнал U_S(t) передается по каналу связи 9, включающего радиопередающее и радиоприемное устройства, после которого поступает на демодулятор сигналов 10, на выходе которого формируются исходные интегральные сигналы изображений U₁(t) и U₂(t).

Следует отметить, что для демодуляции сигналов используется синхронное детектирование. Правильная работа синхронных детекторов зависит от частоты и фазы несущей, формируемой местным генератором и имеющим синхронизацию с передающей частью системы. Сама по себе квадратурная модуляция уже обеспечивает увеличение эффективности использования полосы частот в два раза, так как на одной несущей частоте одновременно передаются два сигнала.

Далее, интегральные сигналы изображений U₁(t) и U₂(t) поступают на входы блока анализа, выборки и восстановления сигналов 11. Для первого и второго интегрального сигналов изображения U₁(t) и U₂(t), на основе анализа их текущих амплитудных значений, вырабатывают для момента времени Δt_i, соответствующего одному i-элементу изображения m-сигналов разноспектральных изображений

U_1(Δλ1)(t), U_1(Δλ2)(t), …, U_1(Δλi)(t), … U_1(Δλm)(t),

U_2(Δλ1)(t), U_2(Δλ2)(t), …, U_2(Δλi)(t), …, U_2(Δλm)(t),

путем их выборки из заранее подготовленного и хранящегося массива данных в устройстве памяти 12. Затем в блоке 11 осуществляют суммирование отдельных сигналов разноспектральных изображений, соответствующих амплитудному значению первого и второго интегрального сигнала изображения U₁(t) и U₂(t) и формирование (востановление) сигналов разноспектральных изображений в виде

Таким образом, на основе анализа текущих амплитудных значений сигналов U₁(t) и U₂(t) на выходе блока 11 вырабатываются для каждого момента времени Δt_i, соответствующего одному i-элементу изображения, m-сигналов разноспектральных изображений

U_1(Δλ1)(t), U_1(Δλ2)(t), …, U_1(Δλi)(t), … U_1(Δλm)(t),

со значениями, распределенными в области 0≤{U_iΔλi(t)}≤1. Затем m-сигналов разноспектральных изображений поступают на входы коммутатора-распределителя сигналов 13. В этом блоке могут быть выбраны любые три сигнала разноспектральных изображений, в случае, когда их общее число m≥4 и направлено на входы RGB цветного видеоконтрольного устройства (монитора). Кроме того, с других выходов блока 13 m-сигналов разноспектральных изображений поступают на входы блока автоматической селекции и распознавания объектов 15.

Особенности распределения спектрально-энергетических характеристик объектов в УФ, ВИ и ИК областях спектра позволяют ввести термин «спектральный портрет» объектов для их известного множества. Рассмотрим особенности подхода к определению спектрального портрета объектов (СПО) и его возможном применении при спектральной селекции и распознавании объектов в изображениях[1].

Использование некоторого множества зон {М}, включающего зоны регистрации лучистого (светового) потока Δλ₁, …, Δλ_i, …, Δλ_m в выбранном спектральном участке с длиной волны от λ₁ до λ_n, и формирование сигналов разноспектральных изображений, позволяет говорить о СПО. Он будет представлять собой распределение СЭП объектов в определенной спектральной области. На основе анализа совокупного распределения значений формируемых m-сигналов разноспектральных изображений (анализа СПО), путем выполнения арифметических и логических операций над сигналами, в блоке 15 осуществляют автоматическую классификацию объектов {N} с разбиением их на классы объектов N={A, B, C, …, S}.

Надо отметить, что общее число формируемых амплитудных значений m-сигналов разноспектральных изображений, удовлетворяет условию 2≤m≤Р и выбирается из заранее подготовленного общего массива данных сигналов, включающих отдельные данные в зависимости от требуемого числа формируемых сигналов разноспектральных изображений. Их число может быть равно m=2 или m=3, или m=4, …, или m=Р, которые фактически определяют ширину и число зон регистрации лучистого потока Δλ_i, внутри спектрального участка с длиной волны от λ₁ до λ_n.

С блока управления 16 поступают управляющие сигналы на блок 4 для смены ОФ, на блоки 11, 12, 13 и 15 для управления анализом, выборкой, коммутацией и распознаванием сигналов разноспектральных изображений. Надо отметить, что для первого и второго каналов формирования интегральных сигналов изображений U₁(t) и U₂(t) могут изменяться спектральные характеристики используемых оптических фильтров, удовлетворяющих условию Ф_i(λ)=1-Ф_j(λ) за счет их смены механическим или электронным путем. То есть,

Рассмотрим спектрозональную ТВ систему (фиг. 1), реализующую предлагаемый способ формирования, передачи и восстановления сигналов разноспектральных изображений, на примере наблюдения объектов с произвольной спектральной характеристикой.

Возьмем для примера ВИ область спектра от 380 нм до 760 нм, где осуществляется регистрация светового потока. В этом участке спектра располагаются все видимые цвета: фиолетовый (Δλ₁=380-430 нм), синий (Δλ₂=430-70 нм), голубой (Δλ₃=470-500 нм), зеленый (Δλ₄=500-560 нм), желтый (Δλ₅=560-590 нм), оранжевый (Δλ₆=590-605 нм) и красный (Δλ₇=605-760 нм). Запишем в общем виде выражение для формируемых интегральных сигналов изображений в спектральном участке с длиной волны от λ₁ до λ_n

где k - коэффициент пропорциональности, τ(λ) - прозрачность объектива, ε₁(λ) и ε₂(λ) - интегральная чувствительность первого и второго МФП, ρ_i(λ) - коэффициент отражения лучистого (светового) потока i-объектом, τ₁(λ) и τ₂(λ) - прозрачность первого и второго объектива в спектральном участке от λ₁ до λ_n.

Примем, что ε₁(λ) и ε₂(λ)=1, а также τ(λ)=1 в спектральном участке длин волн от λ₁ до λ_n. Возьмем также, для примера, что в этих зонах ВИ области спектра отражательная способность некоторого произвольного класса объектов А, В, С и усредненная прозрачность оптических фильтров в ВИ области спектра для отдельных зон регистрации распределилась таким образом, как показано в таблице 1.

В таблице 2 значения интегральных сигналов изображений U₁(t) и U₂(t) находились согласно

На приемной стороне системы в блоке анализа и восстановления сигналов разноспектральных изображений 11 на основе амплитудных значений этих сигналов с блока памяти 12 будут извлекаться сигналы

U_1(Δλ1)(t), U_1(Δλ2)(t), …, U_1(Δλi)(t), …, U_1(Δλm)(t),

U_2(Δλ1)(t), U_2(Δλ2)(t), …, U_2(Δλi)(t), …, U_2(Δλm)(t),

путем их выборки из заранее подготовленного и хранящегося массива данных в устройстве памяти.

Дальнейшее совместное суммирование двух сигналов (за счет использования ОФ₁ и ОФ₂) по каждой зоне регистрации (таблица 2), даст например, для объекта класса А в зоне регистрации Δλ₁ величину 0,8, для объекта класса В это будет величина 0,8, а для объекта класса С - 0,1. Для зоны регистрации, например, Δλ₅ будут другие величины сигналов для объекта класса А-0,8, для объекта класса В-0,1 и для объекта С-0,6 и т.д., что будет отображать распределение спектральных характеристик этих объектов (таблица 1).

Использование интегрального метода регистрации по входному лучистому потоку и его преобразование в сигналы изображения с использованием оптических фильтров, спектральная характеристика которых удовлетворяет условию Ф₁(λ)=1-Ф₂(λ), позволяет на основе сформированного текущего амплитудного значения двух интегральных сигналов изображений U₁(t) и U₂(t) восстановить сигналы разноспектральных изображений U_1(Δλ1)(t), U_1(Δλ2)(t), …, U_1(Δλi)(t), … U_1(Δλm)(t) для m-зон регистрации лучистого потока, при этом m≥2.

Литература

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

2. Сагдуллаев Т.Ю., Сагдуллаев Ю.С. К вопросу выбора зон регистрации в спектрозональном телевидении. Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2011, вып. 2, С. 3-25

3. Сагдуллаев Т.Ю., Сагдуллаев Ю.С. Спектральная селекция и распознавание объектов. Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2012 г., вып. 2, С. 96-106.

4. Кринов Е.Л. Спектральная отражательная способность природных образований. - М.: АН СССР, 1947. - 168 с.

5. Григорьев А.Н., Октябрьский В.В. Показатели информативности гиперспектральных средств при решении задач мониторинга природных и антропогенных процессов. Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, Санкт-Петербург, 2013 г.

6. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Многоспектральные оптико-электронные системы / Специальная техника, №4, 2002 г.

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

8. Патент РФ №2546982. Способ формирования и отображения сигналов цветных, спектрозональных и тепловизионных изображений / Ковин С.Д., Сагдуллаев Ю.С. г. - опубл. 10.04.2015 г. Бюл. №10

9. Патент РФ №2604898. Способ формирования спектрозональных видеосигналов / Ковин С.Д., Сагдуллаев Ю.С. - приоритет 26.06.2015 г. Опубл. 20.12.2016 г. Бюл. №35

10. Патент РФ на изобретение №2374783. Способ формирования и отображения спектрозональных телевизионных сигналов / Вилкова Н.Н., Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С. - опубл. 27.11.2009 г. Бюл. №33.

Способ формирования, передачи и восстановления сигналов разноспектральных изображений, включающий регистрацию лучистого (светового) потока F(λ) внутри широкого спектрального участка с длиной волны от λ₁ до λ_n, его расщепление на два идентичных потока F(λ) и их пропускание через два широкополосных оптических фильтра ОФ₁ и ОФ₂, спектральная характеристика которых взаимно противоположна и удовлетворяет условию Ф₁(λ)=1-Ф₂(λ) в спектральном участке с длиной волны от λ₁ до λ_n, преобразование лучистых потоков с использованием двух матричных фотоприемников, имеющих одинаковую прямоугольную спектральную характеристику в спектральном участке с длиной волны от λ₁ до λ_n, и формирование двух интегральных сигналов изображений U₁(t) и U₂(t), отличающийся тем, что вначале два интегральных сигнала изображений U₁(t) и U₂(t) модулируют и сформированный результирующий сигнал U_S(t) передают по каналу связи, на приемной стороне демодулируют результирующий сигнал U_S(t) и формируют два исходных интегральных сигнала изображений U₁(t) и U₂(t), далее отдельно для первого и второго интегрального сигналов изображения U₁(t) и U₂(t) на основе анализа их текущих амплитудных значений вырабатывают для момента времени Δt_i, соответствующего одному i элементу изображения, m сигналов разноспектральных изображений

U_1(Δλ1)(t), U_1(Δλ2)(t), …, U_1(Δλi)(t), …, U_1(Δλm)(t),

U_2(Δλ1)(t), U_2(Δλ2)(t), …, U_2(Δλi)(t), …, U_2(Δλm)(t),

путем их выборки из заранее подготовленного и хранящегося массива данных в устройстве памяти, которые включают некоторое множество амплитудных значений сигналов для каждой зоны регистрации Δλ_i, со значениями, распределенными в области 0≤{U_iΔλi(t)}≤1, после чего осуществляют суммирование отдельных сигналов разноспектральных изображений, соответствующих амплитудному значению первого и второго интегрального сигналов изображения U₁(t) и U₂(t), и формирование сигналов разноспектральных изображений в виде

отражающих зоны регистрации Δλ₁, Δλ₂, …, Δλ_i, …, Δλ_m, затем осуществляют обработку полученных m сигналов разноспектральных изображений U_1(Δλ1)(t), U_1(Δλ2)(t), …, U_1(Δλi)(t), …, U_1(Δλm)(t), выбирают из m сигналов разноспектральных изображений любые три сигнала разноспектральных изображений, подают их на RGB входы цветного видеоконтрольного устройства и осуществляют их отображение для визуального анализа, а также выполняют автоматическую селекцию заданных объектов на основе анализа распределения амплитудных значений m сигналов разноспектральных изображений внутри спектрального участка с длиной волны от λ₁ до λ_n.