Исследование и разработка методов улучшения качества изображения в тепловизионных приборах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Нгуен Хунг Ван

• Нгуен Хунг Ван
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуен Хунг Ван

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ.

1.1. Классификация и тенденции развития тепловизионных приборов.

1.2. Критерии оценки качества тепловизионных приборов.

1.3. Оценка качества изображения тепловизионных приборов на основе многоканальной модели зрительной системы человека-оператора.

1.3.1. Многоканальная модель зрительной системы человека-оператора.

1.3.2. Методика анализа сигналов и помех в изображении, формируемом тепловизионными приборами.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗАКОНОВ СКАНИРОВАНИЯ И РАЗВЁРТКИ НА КАЧЕСТВО ИЗОБРАЖЕНИЯ

ТЕПЛОВИЗОННЫХ ПРИБОРОВ.

2.1. Анализ сигналов и аддитивных помех в тепловизионных приборах с прогрессивным и чересстрочным законами сканирования и развёртки изображения.

2.1.1. Тепловизор с прогрессивным законом сканирования и развёртки изображения.

2.1.2. Тепловизор с чересстрочным законом сканирования и развёртки изображения.

2.2. Анализ помех пространственной дискретизации изображения с учётом временных соотношений законов сканирования и свойств зрительного восприятия человеком-оператором.

2.2.1. Тепловизор с прогрессивным законом сканирования и развёртки изображения.

2.2.2. Тепловизор с чересстрочным законом сканирования и развёртки изображения.

2.3. Сравнительный анализ моделей тепловизоров по оценке вероятности обнаружения шпальной миры.

2.3.1. Тепловизор с прогрессивным законом сканирования и развёртки изображения.

2.3.2. Тепловизор с чересстрочным законом сканирования и развёртки изображения.

3. МЕТОДЫ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ

В СОВРЕМЕННЫХ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРАХ.

3.1. Анализ алгоритмов обработки сигналов для снижения влияния разброса параметров многоэлементных приёмников излучения на качество изображения.

3.2. Методы первичной обработки изображений.

3.2.1. Двумерная медианная фильтрация тепловизионных изображений.

3.2.2. Методы повышения резкости тепловизионных изображений.

3.2.3. Повышение качества тепловизионных изображений путём пространственно-частотной фильтрации.

3.3. Практическая реализация цифровых методов обработки тепловизионных изображений на цифровых сигнальных процессорах.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ЗАКОНАМИ СКАНИРОВАНИЯ И РАЗВЕРТКИ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка методов улучшения качества изображения в тепловизионных приборах»

Тепловизионные приборы (ТВП) относятся к оптико-элетронным приборам, предназначенным для наблюдения объектов по их собственному тепловому излучению. Пороговая чувствительность современных ТВП достигает десятых и даже сотых долей градуса. ТВП существенно расширяют возможности зрения человека и, в связи с этим, находят широкое применение в промышленности, медицине, в военном деле и других областях.

ТВП непрерывно совершенствуются в направлении повышения их технических и эксплуатационных характеристик. Если раньше приборы этого типа представляли собою устройства с системами оптико-механического сканирования (ОМС), то в настоящее время в связи с достижениями в области разработки и производства матричных приёмников излучения ^ (МПИ) серийно выпускаются ТВП, в которых не требуется использование систем ОМС. Более того, появились МПИ, которые обладают высокими пороговыми характеристиками и не требуют охлаждения.

Вместе с тем следует отметить, что в ТВП сканирующего типа в настоящее время достигается более высокая пороговая чувствительность и возможности их совершенствования ещё не исчерпаны. Особенностью ТВП сканирующего типа является то, что эффекты пространственной и временной дискретизации, сопровождающие процесс преобразования сигналов, приводят к появлению помех, которые могут существенно отличаться для различных законов сканирования и развёртки изображения, используемых в этих приборах. Поэтому одним из направлений улучшения качества изображения в ТВП может быть являться оптимизация параметров законов сканирования. Как показал анализ литературных источников исследованию этой проблемы не уделено достаточного внимания. В настоящей диссертации проведён сравнительный анализ прогрессивного и чересстрочного законов It сканирования и развёртки изображений в ТВП с использованием теории трёхмерного преобразования сигналов и помех, а также с учётом свойств зрительного восприятия. Результаты сравнительного анализа могут быть использованы для обоснования закона сканирования и развёртки изображения в перспективных ТВП.

Применение МПИ в ТВП поставило новые задачи, которые должны решаться при их совершенствовании. Дело в том, что матричным фотоприёмным устройствам (МФПУ) или линейкам приёмников излучения (ПИ) свойственна неравномерность параметров его отдельных каналов. В результате разброса параметров могут появляться дополнительные помехи в выходном изображении. Для уменьшения этих эффектов в ТВП применяется схема коррекции неравномерности чувствительности отдельных каналов ПИ. Однако в исследованиях, изложенных в [73], был установлен тот факт, что выравнивание чувствительности отдельных каналов может приводить к увеличению дисперсии помех, обусловленных разбросом среднеквадратического отклонения (СКО) аддитивного шума элементов ПИ, что может привести к ухудшению чёткости изображений, и в связи с этим, этот алгоритм нуждается в дополнительном рассмотрении.

В последнее время цифровая обработка сигналов стала вытеснять «традиционную» (аналоговую) во многих прикладных областях. Интенсивно идёт процесс перехода тепловидения на цифровую основу. Несомненно, что использование цифровых методов обработки изображений в ТВП даёт мощный импульс совершенствованию этих приборов. Их достоинство -обеспечение высокого качества изображения, компактность, гибкость в реализации различных алгоритмов обработки изображения и простой интерфейс с компьютером.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка методов улучшения качества изображения в ТВП на основе оптимизации законов сканирования и развёртки, а также алгоритмов обработки сигналов.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Обоснование критерия оценки качества изображения ТВП, позволяющего учитывать влияние помех пространственной дискретизации на основе свойств зрительного восприятия изображения человеком-оператором.

2. Анализ преобразования сигналов и аддитивных помех в ТВП с прогрессивным и чересстрочным законами сканирования и развёртки изображения.

3. Разработка методики анализа помех пространственной дискретизации изображения с учётом временных соотношений законов сканирования и свойств зрительного восприятия.

4. Анализ помех, обусловленных разбросом параметров МПИ. ф 5. Анализ методов цифровой обработки изображений на современной элементной базе.

6. Проведение экспериментальных исследований для подтверждения основных теоретических положений диссертации.

Научная новизна работы

Научная новизна включает в себя:

- методику сравнительного анализа ТВП с различными законами сканирования и развёртки изображения;

- методику анализа эффективности алгоритмов выравнивания чувствительности отдельных каналов ФПУ.

Практическая ценность

1. Теоретически и экспериментально доказаны преимущества прогрессивного закона сканирования и развёртки изображения по сравнению с чересстрочным.

2. Разработанный метод анализа эффективности алгоритма (i выравнивания чувствительности отдельных каналов ФПУ может использоваться при синтезе алгоритмов обработки сигналов в ТВП с МПИ.

3. Предложенная практическая реализация цифровых методов обработки изображений на цифровых сигнальных процессорах позволяет улучшать качество тепловизионных изображений.

Защищаемые положения

1. Методика рационального выбора закона и параметров сканирования и развёртки изображения в ТВП.

2. Методика анализа эффективности алгоритма выравнивания чувствительности отдельных каналов ФПУ.

3. Предложенная практическая реализация цифровых методов обработки изображений на цифровых сигнальных процессорах.

Методы исследований

Для решения поставленных задач использовались: теория вероятностей и математической статистики; корреляционная теория анализа случайных процессов; статическая теория принятия решений и оценок параметров сигналов на фоне помех; теория линейных систем; теория помех пространственной дискретизации изображения с учётом особенностей зрительного восприятия; методы цифровой обработки изображений. ' Реализация результатов работы

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке перспективных тепловизионных приборов.

Апробация результатов Основные результаты диссертационной работы опубликованы в журнале «Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана». Серия приборостроение №1. 2005, а также в материалах 5-ой Международной конференции // Оптическое приборостроение - СПб., 2004. Результаты работы также докладывались на Международном научно-техническом симпозиуме «175 лет МГТУ им. Н.Э.

Баумана. Образование через науку» // электронная и лазерная техника. - М., 2005. '

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 126 страницах, содержит 25 иллюстраций и 4 таблицы. Библиография включает 103 наименования.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Нгуен Хунг Ван

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1). На основе развитой в диссертации математической модели ТВП, учитывающей эффекты пространственной и временной дискретизации изображения проведён сравнительный анализ прогрессивного и чересстрочного законов сканирования и развёртки изображения.

Получены математические выражения, позволяющие производить У оптимизацию параметров тракта обработки сигналов в ТВП. Показано, что в

ТВП с прогрессивным законом сканирования и развёртки изображения обеспечивается более высокое качество, чем в ТВП с чересстрочным законом.

2). Разработана методика анализа каличественной оценки эффективности метода улучшения качества изображения путём выравнивания чувствительности каналов МПИ.

3). Предложена практическая реализация цифровых методов обработки тепловизионного изображения на цифровых сигнальных процессорах в реальном масштабе времени.

4). Результаты выполненных экспериментальных исследований подтвердили правильность методики сравнительного анализа ТВП с различными законами сканирования и развёртки изображения, а также справедливость теории помех пространственной дискретизации изображений, развитой в диссертации.

118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа современного состояния существующих ТВП, теоретических и экспериментальных исследований, проведённых в диссертационной работе, решена задача, имеющая существенное значение для повышения качества изображения тепловизионных приборов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуен Хунг Ван, 2005 год

1. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев Е.Н. Теория оптико-электронных систем: Учебник для студентов вузов по оптическим специальностям. - М.: Машиностроение, 1990. - 432 е.: ил.

2. Колючкин В.Я., Мосягин Г.М. Тепловизионные приборы и системы: Учебное пособие-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 52с.: ил.

3. Жуков А.Г. и др. Тепловизионные приборы и их применения / Под. ред. Н. Д. Девяткова. М.: Радио и связь, 1983. - 168 е.: ил.

4. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов — 5-е изд., перераб. и доп. М.: Логос, 2004 — 472 е.: ил.

5. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. инфракрпеные системы «смотрящего» типа. М.: Логос, 2004. - 444 е.: ил.

6. Криксунов Л.З, Г.А. Падалко. Тепловизоры: Справочник. К.: техшка, 1987.- 166 е.: ил.

7. Автоматизация проектирования оптико-электронных приборов: Учеб. пособие для студентов оптических специальностей вузов / Л.П. Лазарев, В.Я. Колючкин, А.Н. Метелкин, и др.; Под ред. Л.П.Лазарева. М.: Машиностроение, 1986.-216 е.: ил.

8. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов.-Л.: Машиностроение, 1983.- 696с.

9. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники М.: Советское радио, 1978. - 400 е.: ил.

10. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов / Р.Дж. Киес, П.В. Крузе, Э.Г. Патли и др.; Под ред. Р.Дж. Киеса: Пер. с англ./ Под ред. В.В. Поспелова. М.: Радио и связь, 1985. — 328 е.: ил.

11. Богомолов П.А., Сидоров В.И., Усольцев И.Ф. Приёмные устройства ИК-систем/ Под ред. В.И. Сидорова. М.: Радио и связь, 1987. - 208 е.: ил.

12. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. — М.: Радио и связь, 1991. 264 с.

13. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. -М.: Наука, 1986.-320 с.

14. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1989.-387 е.: ил.

15. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения: Учебник для технических вузов. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1989.-512 е.: ил.

16. Хадсон Р. Инфракрасные системы / Пер. с англ. Я.Б. Герчикова, Ю.Е. Голубчина, С.Г. Кина; Под ред. Н.В.Васильченко.-М.: Мир, 1972. 534 е.: ил.

17. Ллойд Дж. Системы тепловидения / Пер.с англ. Н.В. Васильченко; Под ред. А.И. Горячева. М.: Мир, 1978. - 414 е.: ил.

18. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение: Пер. с франц./ Под ред. Л.Н. Курбатова.-М.: Мир, 1988 -416с.: ил.

19. Изнар А.Н. Электронно-оптические приборы. М.: Машиностроение, 1977.

20. Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин В.Н. Оптико-электронные квантовые приборы / Под ред. И.И. Пахомова. М.: Радио и связь, 1982. -456 с.23