CC BY
45Н. П. КОРНЫШЕВ
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ СИСТЕМ
Телевизионные спектральные системы (тсс) предназначаются для проведения технико-технологических исследований документов и обеспечивают визуализацию объектов при различных режимах спектрозонального освещения, а также визуализацию люминесценции в видимой и ближней инфракрасной области спектра.
Одним из направлений совершенствования тсс является «интеллектуализация» оборудования за счет введения дополнительных сервисных функций с программным управлением от ПЭВМ [1, 2].
Другим направлением совершенствования тсс является повышение спектральной избирательности за счет увеличения количества спектральных каналов и перехода от мультиспектрального метода анализа к так называемому гиперспектральному методу.
Усовершенствование тсс позволит сократить объем рутинных операций для пользователя, уменьшить число субъективных ошибок, обеспечить возможность повторения исследований по заданной программе, а также предоставить пользователю новую визуальную и количественную информацию об исследуемых объектах [3-6].
В отличие от мультиспектрального метода анализа, гиперспектральный метод предполагает получение для каждого элемента двумерного изображения третьей (спектральной) координаты — номера спектрального канала. Такой массив координат называют «гиперкубом данных».
Различают следующие способы [7] (илл. 1) получения «гиперкуба данных»:
1) путем сканирования по пространственной координате с разложением света от строки оптического изображения в непрерывный спектр (например, на призме или дифракционной решетке) с фиксацией матричным фотоприемником получаемых двумерных картин для каждой строки кадра и последующей их программной обработкой;
2) путем сканирования по спектральной координате (последовательная спектрозональная подсветка объекта или ввод отрезающих светофильтров перед матричным фотоприемником) с фиксацией получаемых спектрозональных изображений и последующей их программной обработкой.
Первый способ используется, в частности, при дистанционном зондировании Земли (дзз). Пример оптической схемы [7], в которой реализуется данный способ, приведен на илл. 2.
За счет дисперсии света на призме строка оптического изображения раскладывается на спектральные составляющие, образуя так называемую дисперсионную картину. Дисперсионные картины для всех строк кадра изображения и образуют «гиперкуб данных» (илл. 3).
Как видно на илл. 2 и 3, сканирование по пространственной координате и обработка получаемых дисперсионных картин для каждой строки изображения потенциально обеспечивает
существенное увеличение числа спектральных зон регистрации, ограничиваемое фактически контрастной чувствительностью и разрешающей способностью матричного фотоприемника. Однако, с другой стороны, реализация данного способа получения «гиперкуба данных» представляет собой достаточно сложную техническую задачу по отношению к аппаратному и программному обеспечению.
В тсс для гиперспектрального анализа целесообразно использовать способ сканирования по спектральной координате, поскольку он может быть реализован в данной аппаратуре программным путем при незначительных изменениях аппаратной части.
Так, например, при помощи тсс может быть обеспечен автоматический ввод в пэвм спектрозональных изображений в заданных зонах регистрации с последующим формированием из них «гиперкуба данных», включающего в себя значения номеров спектральных каналов для каждого элемента изображения.
При этом появляется возможность построения спектральных характеристик для указываемых пространственных координат, а также спектральной селекции изображений объектов.
Путем сравнения номеров спектральных каналов может быть обеспечена возможность синтеза результирующего гиперспектрального изображения, в котором элементы с одинаковым номером спектрального канала окрашены в свой условный цвет.
При этом потенциальное число получаемых спектральных каналов N соответствует числу размещений с повторениями, которое определяется по формуле:
К=тк,
где т — число градаций яркости (обратно пропорционально ширине зоны допуска); к — число зон регистрации (соответствует количеству анализируемых спектрозональ-ных изображений).
Ниже приведены иллюстрации новых потенциальных возможностей тсс при реализации способа сканирования по спектральной координате.
На илл. 4 показан пример пользовательского интерфейса для ручного управления анализатором тсс. На переднем плане — окно ручного управления спектрозональными источниками света. На заднем плане — окна с изображениями, записанными в ручном режиме.
На илл. 5 показан пример пользовательского интерфейса для автоматического управления анализатором тсс. На переднем плане — окно программирования последовательности автоматического переключения спектрозональных источников света с последующим вводом изображения. На заднем плане — окна с изображениями, записанными в автоматическом режиме.
На илл. 6 показан пример пользовательского интерфейса для построения спектральных характеристик. Спектральная характеристика для текущей точки, соответствующей положению курсора, перемещаемого по исследуемому изображению,
Илл. 1. Сканирование по пространству вдоль оси х (слева) и сканирование по спектру вдоль оси Л (справа)
Илл. 2. Пример сканирования по пространству при дзз
Илл. 4. Интерфейс программного ручного управления анализатором тсс
Илл. 5. Интерфейс программного автоматического управления анализатором тсс
Илл. 6. Интерфейс программного построения спектральных характеристик для указанных элементов изображения
Ш 11« Ч|_!Ц7 _ л /' I 1 ♦ Н 1 г » '".¡и "-' " в 11111 Г 1 ■ 1 I . . | * . > Ч( 1 __ Г^г ^
| "" «г Я ! 1 1 * + • * Ч
| АД.,.: . ■ ... 1 Л.. . 11 . ■. .. 1 ------ П и Г А 1 1 Ь / 1 Ш 1Л 1
В|Э11Л ■ - са ■ г щ^ь - № ш на
Илл. 7. Выделение элементов изображения, имеющих спектральную характеристику, совпадающую с указанной точкой (спектральная селекция)
Илл. 8. Гиперспектральное изображение, в котором элементы с одинаковым номером спектрального канала окрашены в свой условный цвет
отображается в отдельном окне. В этом же окне формируется таблица со значениями яркости в данной точке для анализируемых спектрозональных изображений.
На илл. 7 показан пример пользовательского интерфейса для спектральной селекции объектов. При спектральной селекции условным цветом выделяются участки изображения, элементы которых совпадают со спектральной характеристикой для указанной точки.
На илл. 8 показан пример гиперспектрального изображения в условных цветах, в котором выделены фрагменты, элементы которых имеют совпадающие спектральные характеристики. Элементы с одинаковым номером спектрального канала окрашены в свой условный цвет.
выводы
- Автоматическое сканирование по спектральной координате в заданной последовательности обеспечит повышение производительности телевизионных спектральных систем при типовых исследованиях документов.
- Способ сканирования по спектральной координате целесообразно использовать в телевизионных спектральных системах для гиперспектрального анализа с целью повышения их спектральной избирательности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреева Е. В., Бутусов В. В., Корнышев Н. П., Кузьмин В. П., Никитин Н. С., Челпанов В. И. Телевизионные аппаратно-программные комплексы для криминалистических исследований // Вопросы радиоэлектроники. Сер. «Техника телевидения».— 2008.— № 2.— С. 50-57.
2. Андреева Е. В., Бутусов В. В., Корнышев Н.П., Кузьмин В. П., Никитин Н. С., Тимофеева А. В., Челпанов В. И. Модернизация телевизионной спектральной системы для экспресс-анализа документов // Системы и средства связи телевидения и радиовещания.—2010.— Вып. 1-2.— С. 115-118.
3. Андреева Е.В., Бутусов В. В., Корнышев Н.П., Никитин Н. С., Родионов И. С., Тимофеева А. В. Телевизионная спектральная система. Решение о выдаче патента от 04.09.13 по заявке 20113134574/07 от 23.07.13.
4. Корнышев Н. П., Лифар А. В., Ляховицкий Е. А, Родионов И. С., Цыпкин Д. О., Шеин Г. М. Телевизионные и оптико-электронные методы исследования исторических бумаг // Системы и средства связи телевидения и радиовещания.— 2013.— Вып. 1-2.— С. 153-158.
5. Корнышев Н. П., Ляховицкий Е. А., Родионов И. С. Оптико-электронные и телевизионные методы и средства в историко-бумаговедческих исследованиях рукописно-книжных памятников // Фотография. Изображение. Документ.— 2013.— Вып. 4 (4).— С. 65-72.
6. Корнышев Н. П., Лифар А. В., Ляховицкий Е. А, Родионов И. С., Цыпкин Д. О, Шеин Г. М. Телевидение в исследовании исторических бумаг // Вопросы радиоэлектроники. Сер. «Техника телевидения».—2014.— Вып. 1.— С. 30-37.
7. Орлов А. Г., Егоров В. В., Родионов И. Д. Авиационный гиперспектрометр // Вестник мгту им. Баумана.— 2006.— № 3.— С. 11-24.
