Улучшение различимости информативных фрагментов монохромных ИК-изображений

Авторы 

Востриков, А. А., Кучин, Н. В., Петренко, Е. А., Сергеев, А. М., Соловьев, Н. В., & Соловьева, Т. Н. (2016).

Аннотация

Цель: показать возможность улучшения различимости информативных фрагментов монохромных изображений в ИК-диапазоне. Методы: применяются методы увеличения контрастности и резкости изображений с учетом вариативности параметров и соответствующих затрат времени на обработку ИК-изображений различных размеров. Результаты: на основе проведенного анализа локальной контрастности ИК-изображений, алгоритмической сложности и возможности использования в автоматическом режиме различных методов повышения различимости фрагментов делаются выводы о необходимости использования для улучшения различимости, в первую очередь, подбора аппаратных средств, оптических систем и узкополосных ИК-фильтров, а в случае необходимости улучшения различимости программными средствами - применения методов повышения контрастности попиксельным преобразованием. Практическая значимость: для ИК-изображений, полученных в сложных условиях, улучшение различимости информативных фрагментов обеспечивается тонкими настройками регулируемых параметров используемых методов повышения контрастности, что демонстрируется результатами программного повышения различимости объектов на представленных примерах.

Ключевые слова — системы видеомониторинга, видеосистемы, аэрокосмические снимки, ИК-диапазон, монохромное изображение, фрагмент монохромного изображения, улучшение различимости.

Введение

В настоящее время все более широкое распространение в гибридных системах видеонаблюдения и контроля объектов, в системах аэрокосмического мониторинга и др. получают видеокамеры инфракрасного (ИК) диапазона.

Путем обоснованного выбора спектрального и интегрального коэффициентов пропускания объектива ИК-камеры, а также учета на этапе проектирования геометрооптических параметров, функции рассеяния и разрешения объектива можно повысить различимость объектов на ИК-снимках. Известные разработки классических и гибридных объективов [1, 2] с минимизированным числом оптических элементов, формирующих ИКпоток, позволяют не только улучшить контрастные характеристики, снизить световые потери и уменьшить искажения, но и сформировать заданный спектр пропускания [3].

Именно за счет правильного выбора спектра пропускания можно существенно увеличить различимость объектов на этапе получения ИКснимков. Проблема в широком ИК-диапазоне заключается в близости температур объектов и фона, составляющих в большинстве случаев около 300 К, в сопоставимости их отражающих и поглощающих способностей, а также близости особенностей их спектров. Как известно [4], тепловой контраст объекта и фона определяется отношением разности интегральных плотностей потоков излучения объекта и фона к их сумме. В свою очередь интегральная плотность потока излучения в спектральном диапазоне ИК-приемника зависит от температуры излучающего объекта, спектральных характеристик его материала, а также расстояния между объектом и ИК-камерой, их взаимной ориентации и полосы пропускания объектива.

Построение кривых изменения теплового контраста интересующих наблюдателя объектов на различном фоне и их последующий анализ позволяют выбрать полосу пропускания объектива, при которой достигается максимальный тепловой контраст [5]. Для слабоконтрастных объектов, имеющих спектральную кривую с несколькими пиками, возможно применение многополосных оптических систем фильтрации. Например, спектральный коэффициент излучения кожи человека имеет максимум на длине волны 3 мкм, провал — на длине 4 мкм и значение, близкое к максимуму, на интервале 6–14 мкм [4]. Узкополосные интерференционные фильтры, позволяющие ограничить спектр пропускания оптической системы ИК-камеры, достаточно известны и вполне доступны [6].

Следует отметить, что минимизация шумов электронного тракта ИК-камеры, учет требований к точности фокусировки объектива, разрешающей способности и частотно-контрастных характеристик растровой матрицы также позволяют существенно повысить различимость объектов на ИК-снимках [7–9].

Если использование перечисленных выше методов не привело к желаемой различимости малозаметных объектов на ИК-снимке, то в таком случае необходимо применять методы увеличения локальной контрастности и резкости, а также методы подавления шума на полученном ИКизображении. Следует отметить, что современные видеокамеры снабжены достаточно эффективными средствами подавления шума на аппаратном уровне в автоматическом режиме, поэтому эти методы далее рассматриваться не будут. Методы повышения контрастности и резкости, как правило, применяются в интерактивном режиме, т. е. требуют от оператора программного обеспечения установки ряда параметров, существенно влияющих на результат обработки изображений.

В настоящей работе будут рассмотрены получаемые в среднем ИК-диапазоне (1,5–5,1 мкм) монохромные растровые изображения, на которых, в силу их специфики и действия внешних факторов, часто нельзя достаточно надежно и быстро распознавать интересующие наблюдателя объекты [10, 11]. На таких изображениях различие в яркости соседних фрагментов может составлять всего одно или два значения от полного диапазона 0…255, что не позволяет ни автоматически, ни полуавтоматически идентифицировать объект, особенно в режиме реального времени. Повысить различимость объектов на ИКснимках можно как за счет подбора оптической системы и выбора диапазона фиксируемого ИКизлучения непосредственно в процессе получения ИК-изображения, так и за счет последующей цифровой обработки полученных ИК-снимков.

Заключение

Повышения различимости фрагментов изображений, полученных с видеокамер, работающих в ИК-диапазоне электромагнитного излучения, следует в первую очередь добиваться путем подбора узкополосных ИК-фильтров. При необходимости улучшения различимости фрагментов изображений программными средствами наиболее перспективными можно считать методы повышения контрастности. Решение вопросов, связанных с выбором наиболее эффективных методов повышения контрастности изображений, как и вопросов автоматизации выбора параметров в этих методах, требует исследования зависимости качества исходных изображений от условий съемки.

Библиографический список представлен в публикации.