Способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов
Владельцы патента RU 2731880:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого" (RU)
Изобретение относится к области спектрозонального телевидения, использующего регистрацию отраженного или излученного потока в нескольких зонах области оптического спектра. Технический результат заключается в повышении контрастности цифровых спектрозональных телевизионных сигналов. Результат достигается тем, что выделяют оптическим путем из светового потока в общем λ1÷λмакс. спектральном интервале n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ1÷λмакс., λ2÷λмакс, …, λn÷λмакс, где λ1<λ2 … <λn<λмакс., формируют электрические сигналы, пропорциональные яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразуют их в соответствующие цифровые коды U1, U2 …Un и вычисляют цифровые коды Uвых 1=f(U1;U2;Uмакс.), Uвых 2=f(U2;U3;Uмакс), …, Uвых n-1=f(Un-1;Un;Uмакс), где Uмакс - максимально возможное значение цифровых кодов U1, U2 … Un. Коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ1÷λ2, λ2÷λз, … λn-1÷λn, вычисляют по формулам
или по формулам
, определяют максимальные значения
…
соответствующих вычисленных цифровых кодов
…
а выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ1÷λ2, λ2÷λз, … λn-1÷λn, формируют в соответствии с выражениями
таким образом, повышение контрастности цифровых спектрозональных телевизионных сигналов достигается за счет перемножения цифровых кодов и их последующей нормировки. 5 ил.
Изобретение относится к области спектрозонального телевидения, использующего регистрацию отраженного или излученного потока з нескольких зонах оптического спектра.
Известен способ формирования спектрозональных телевизионных сигналов, описанный в статье Ю.Б. Зубарева, Ю.С. Сагдуллаева, Т.Ю. Сагдуллаева «Спектрозональные методы и системы в космическом телевидении», журнал «Вопросы радиоэлектроники», серия «Техника телевидения», вып. 1, 2009 г., с. 47-64, заключающийся в получении электрических сигналов U1, U2 … Un для соответствующих элементов спектрозональных изображений, пропорциональных яркости света в каждом из n световых потоков, выделяемых оптическим путем в соответствующих узких зонах регистрации Δλ1, Δλ2, … Δλn.
Недостатком данного способа является сложность в реализации из-за необходимости применения дорогостоящих узкополосных интерференционных фильтров.
Известен способ формирования спектрозональных видеосигналов. Данный способ включает в себя регистрацию отраженного или излученного потока в нескольких зонах оптического спектра. При этом после расщепления входного лучистого потока на два идентичных потока, каждый из них пропускают через широкополосные оптические фильтры ОФ1 и ОФ2. Причем спектральная характеристика первого ОФ1 охватывает широкий спектральный участок от λ1 до λi, а спектральная характеристика второго ОФ2 охватывает широкий спектральный участок от λ1 до λi+1, которые удовлетворяют условию по ширине зоны регистрации в виде (λi+1-λ1)>(λi-λ1). Затем преобразуют лучистые потоки и осуществляют формирование двух спектрозональных видеосигналов U1(λ) и U2(λ). Выполняют операцию вычитания первого зонального сигнала из второго и формируют амплитудные значения третьего зонального сигнала U3(λ), которые соответствуют более узкой зоне регистрации (λi+1-λi). После чего обрабатывают полученные спектрозональные видеосигналы и анализируют их (пат. RU №2604898, от 26.06.2015).
Недостатком рассмотренного способа является необходимость расщепления входного лучистого потока на два идентичных потока, что приводит к уменьшению светового потока в спектрозональных каналах и, как следствие к уменьшению чувствительности системы.
Известен способ формирования спектрозональных телевизионных сигналов, описанный в работе Ю.С. Сагдуллаева и Т.Ю. Сагдуллаева «К вопросу выбора зон регистрации в спектрозональном телевидении». // Вопросы радиоэлектроники, серия Техника телевидения, вып. 2, 2011 г., 20 с.
Данный способ 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, имеющие крутой перепад спектральной характеристики, соответственно, в желтой, оранжевой и красной областях спектра.
По данному способу формирование спектрозональных телевизионных сигналов по известному способу сводится к следующему. Из светового потока в общем спектральном интервале λ1÷λмакс оптическим путем выделяют n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ1÷λмакс., λ2÷λмакс., …, λn÷λмакс., где λ1<λ2 … <λn<λмакс., затем формируют электрические сигналы, пропорциональные яркости света в элементах спектрозональных изображений, и получают соответствующие цифровые коды U1, U2 … Un, из которых формируют разностные выходные цифровые коды Uвых1=U1-U2, Uвых2=U2-U3, …, Uвых n=Un-1-Un, соответствующие узким зонам регистрации λ1÷λ2, λ2÷λ3, …, λn-1÷λn.
Недостатком данного способа является низкая точность, поскольку при взаимном вычитании цифровых кодов форма выходного сигнала искажается. В случае, если вычитаемое больше уменьшаемого, то получаемая 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. Сохранение формы выходного сигнала, в данном случае, должно проявляться в изменении его полярности, что отсутствует при реализации данного способа.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, является принятый за прототип способ, описанный в патенте №2679921 RU, МПК H04N 7/18. Способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов / Калитов М.А., Корнышев Н.П. /Заявл. 28.04.2018; опубл. 14.02.2019. - 2019. - Бюл. 5.
По данному способу формирование цифровых спектрозональных телевизионных сигналов осуществляется выделением оптическим путем из светового потока в общем λ1÷λмакс. спектральном интервале (n-1) спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ1÷λмакс., λ2÷λмакс., …, λn÷λмакс., где λ1<λ2 … <λn<λмакс., формированием электрических сигналов, пропорциональных яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразованием их в соответствующие цифровые коды U1, U2 … Un, вычислением разности цифровых кодов Uвых1=U1-U2, Uвых2=U2-U3, …, Uвых n-1=Un-1-Un и формированием выходных кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующих узким зонам регистрации λ1÷λ2, λ2÷λ3, …, λn-1÷λn, в соответствии с выражениями …,
где Uмакс. максимально возможное значение цифрового кода.
Недостатком данного способа является низкая контрастность получаемого изображения, а, следовательно, и низкая точность, поскольку разности цифровых кодов Uвых1=U1-U2, Uвых2=U2-U3, …, Uвых n-1=Un-1-Un имеют весьма малый размах по сравнению с динамическим диапазоном возможного изменения сигнала.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение контрастности изображения, получаемого при формировании цифровых спектрозональных телевизионных сигналов.
Технический результат заявляемого технического решения выражен в повышении контрастности изображения, получаемого при формировании цифровых спектрозональных телевизионных сигналов за счет существенного увеличения размаха выходного сигнала.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, включающего выделение оптическим путем из светового потока в общем λ1÷λмакс. спектральном интервале n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ1÷λмакс., λ2÷λмакс., … λn÷λмакс., где λ1<λ2 … <λn<λмакс., формировании электрических сигналов, пропорциональных яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразовании их в соответствующие цифровые коды U1, U2 … Un и вычислении выходных цифровых кодов Uвых1=ƒ(U1;U2;Uмакс.), Uвых2=ƒ(U2;U3;Uмакс.), …, Uвых n-1=ƒ(Un-1;Un;Uмакс.), где Uмакс. максимально возможное значение цифровых кодов U1, U2 … Un, согласно изобретению первоначально коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ1÷λ2, λ2÷λ3, …, λn-1÷λn, вычисляют по формулам или по формулам
…
затем определяют максимальные значения
соответствующих вычисленных цифровых кодов
а выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ1÷λ2, λ2÷λ3, …, λn-1÷λn, формируют в соответствии с выражениями
…
Для достижения указанного выше технического результата предложен способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, включающий выделение оптическим путем из светового потока в общем λ1÷λмакс. спектральном интервале n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ1÷λмакс., λ2÷λмакс., …, λn÷λмакс., где λ1<λ2 … λn<λмакс., формирование электрических сигналов, пропорциональных яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразование их в соответствующие цифровые коды U1, U2 … Un и вычисление цифровых кодов Uвых1=ƒ(U1;U2;Uмакс.), Uвых2=ƒ(U2;U3;Uмакс.), … Uвых n-1=ƒ(Un-1;Un;Uмакс.), где Uмакс. максимально возможное значение цифровых кодов U1, U2 … Un, коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ1÷λ2, λ2÷λ3, …, λn-1÷λn, вычисляют по формулам
…
или по формулам
…
, определяют максимальные значения
…
соответствующих вычисленных цифровых кодов
…
а выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ1÷λ2, λ2÷λ3, …, λn-1÷λn, формируют в соответствии с выражениями
…
В качестве примера на фиг. 1 показана спектрозональная телевизионная система, реализующая предлагаемый способ, где:
1 - объектив;
2 - линейка светофильтров;
3 - телевизионная камера;
4 - устройство видеозаписи;
5 - компьютер.
Объектив 1 и линейка 2 светофильтров, оптически связаны с телевизионной камерой 3, последовательно подключенной к устройству видеозаписи 4 и компьютеру 5.
Способ осуществляется следующим образом. Световой поток в общем спектральном интервале λ1÷λмакс. проходит через объектив 1, в заднем рабочем отрезке которого размещается линейка 2 стандартных светофильтров типа ЖС, ОС, КС. В простейшем случае линейку 2 светофильтров в заднем рабочем отрезке объектива перемещают вручную, последовательно устанавливая перед фотоприемником телевизионной камеры 3 светофильтры, выделяющие спектрозональные световые потоки в интервалах длин волн λ1÷λмакс., λ2÷λмакс., …, λn÷λмакс., где λ1<λ2 … <λn<λмакс.
Каждое получаемое спектрозональное оптическое изображение последовательно преобразуется телевизионной камерой 3 в электрический сигнал, который в свою очередь преобразуется в цифровую форму стандартным устройством 4 видеозаписи и последовательно вводится в компьютер 5. Введенные в компьютер исходные цифровые коды элементов спектрозональных изображений цифровые коды U1, U2 … Un обрабатываются программным путем с целью получения произведений цифровых кодов
…
или
…
где Uмакс. максимально возможное значение цифровых кодов U1, U2 … Un. Затем определяют максимальные значения
…,
соответствующих вычисленных цифровых кодов
…,
и, формируют выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ1÷λ2, λ2÷λ3, …, λn-1÷λn, в соответствии с выражениями
…
. Выходные коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов используют для их отображения на экране дисплея компьютера.
В качестве примера на фиг. 2 показаны спектральные характеристики стандартных светофильтров ЖС4, ЖС18, КС11 и КС19 для расширенных спектральных интервалов λ1÷λмакс., λ2÷λмакс., …, λn÷λмакс. в общем диапазоне длин волн λ1÷λмакс., при помощи которых формируются исходные световые потоки, преобразуемые цифровые коды U1, U2, U3, U4 пропорциональные яркости для соответствующих элементов исходных спектрозональных телевизионных изображений представленных на фиг. 3 (а, б, в, г).
На фиг. 4 показаны примеры результирующих изображений, получаемые по способу-прототипу (фиг. 4а) и по заявляемому способу (фиг. 4б). Изображение, полученное по способу-прототипу (фиг. 4а) имеет низкую контрастность. Контрастность изображения, полученного по заявляемому способу (фиг. 4б), визуально существенно выше. Количественное сравнение разностей максимальных и минимальных значений цифровых кодов, полученных по способу-прототипу и по заявляемому способу при обработке изображений, приведенных на фиг. 3а, 3б, 3в и 3г, показано на фиг. 5. Как видно из приведенных на фиг. 5 сравнительных диаграмм, заявляемый способ обеспечивает повышение контрастности изображений не менее чем в 1,5 раза.
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++.
Способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, включающий выделение оптическим путем из светового потока в общем λ1÷λмакс. спектральном интервале n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ1÷λмакс., λ2÷λмакс., …, λn÷λмакс., где λ1<λ2 … <λn<λмакс., формирование электрических сигналов, пропорциональных яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразование их в соответствующие цифровые коды U1, U2 … Un и вычисление цифровых кодов Uвых1=ƒ(U1;U2;Uмакс.), Uвых2=ƒ(U2;U3;Uмакс.), … Uвых n-1=ƒ(Un-1;Un;Uмакс.), где Uмакс. - максимально возможное значение цифровых кодов U1, U2 … Un, отличающийся тем, что коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ1÷λ2, λ2÷λ3, …, λn-1÷λn, вычисляют по формулам
…
] или по формулам
…
], определяют максимальные значения
,
соответствующих вычисленных цифровых кодов
…
, а выходные значения кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ1÷λ2, λ2÷λ3, …, λn-1÷λn, формируют в соответствии с выражениями
…