СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫХ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ

Изобретение относится к области спектрозонального телевидения, использующего регистрацию отраженного или излученного потока в 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…U_n для соответствующих элементов спектрозональных изображений, пропорциональных яркости света в каждом из n световых потоков, выделяемых оптическим путем в соответствующих узких зонах регистрации Δλ₁, Δλ₂, …Δλ_n.

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 λ_i, а спектральная характеристика второго ОФ2 охватывает широкий спектральный участок от λ₁ до λ_i+1, которые удовлетворяют условию по ширине зоны регистрации в виде (λ_i+1-λ₁)>(λ_i-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 (λ_i+1-λ_i). После чего обрабатывают полученные спектрозональные видеосигналы и анализируют их (пат. РФ №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.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, является принятый за прототип 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÷λ_макс оптическим путем выделяют n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ₁÷λ_макс., λ₂÷λ_макс., …, λ_n÷λ_макс., где λ₁<λ₂…<λ_n<λ_макс., затем формируют электрические сигналы, пропорциональные яркости света в элементах спектрозональных изображений, и получают соответствующие цифровые коды U₁, U₂…U_n, из которых формируют разностные выходные цифровые коды U_{вых 1}=U₁-U₂, U_вых2=U₂-U₃, …, U_{вых n}=U_n-1-U_n, соответствующие узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ₃, …, λ_n-1÷λ_n.

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.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов.

Технический результат заявляемого технического решения выражен в повышении точности формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов за счет сохранения формы выходного сигнала и его полярности в случае отрицательной разности между сравниваемыми цифровыми кодами соответственно.

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÷λ_макс. спектральном интервале n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ₁÷λ_макс., λ₂÷λ_макс., …, λ_n÷λ_макс., где λ₁<λ₂…<λ_n<λ_макс., формировании электрических сигналов, пропорциональных яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразовании их в соответствующие цифровые коды U₁, U₂…U_n и вычислении разности цифровых кодов U_{вых 1}=U₁-U₂, U_{вых 2}=U₂-U₃, …, U_{вых n}=U_n-1-U_n, согласно изобретению выходные коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ₃, …, λ_n-1÷λ_n, формируют в соответствии с выражениями , где максимально возможное значение цифрового кода.

Для достижения указанного выше технического результата предложен способ формирования цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, включающий выделение оптическим путем из светового потока в общем λ₁÷λ_макс. спектральном интервале n спектрозональных световых потоков в интервалах длин волн λ₁÷λ_макс., …, λ₂÷λ_макс., …, λ_n÷λ_макс., где λ₁<λ₂…<λ_n<λ_макс., формировании электрических сигналов, пропорциональных яркости света в элементах спектрозональных изображений, преобразовании их в соответствующие цифровые коды U₁, U₂…U_n и вычислении разности цифровых кодов U_{вых 1}=U₁-U₂, U_{вых 2}=U₂-U₃, …, U_{вых n}=U_n-1-U_n, в котором выходные коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов, соответствующие узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ₃, …, λ_n-1÷λ_n, формируют в соответствии с выражениями, , где максимально возможное значение цифрового кода.

В качестве примера на фиг. 1 показана спектрозональная телевизионная система, реализующая предлагаемый способ.

Позиции:

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 4 видеозаписи и компьютеру 5.

Способ осуществляется следующим образом.

Световой поток в общем спектральном интервале λ₁÷λ_макс. 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÷λ_макс., λ₂÷λ_макс., …, λ_n÷λ_макс., λ₁<λ₂…<λ_n<λ_макс.. 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…U_n обрабатываются программным путем с целью получения разности цифровых кодов U_{вых 1}=U₁-U₂, U_{вых 2}=U₂-U₃, …, U_{вых n}=U_n-1-U_n, а затем выходных кодов цифровых спектрозональных телевизионных сигналов соответствующих узким зонам регистрации λ₁÷λ₂, λ₂÷λ₃, …, λ_n-1÷λ_n, по формулам где U_макс. максимально возможное значение цифрового кода. Выходные коды цифровых спектрозональных телевизионных сигналов используют для их отображения на экране дисплея компьютера.

В качестве примера на фиг. 2 показаны три спектральных характеристики стандартных светофильтров типа КС по ГОСТ 9411-91 для расширенных спектральных интервалов λ₁÷λ_макс., λ₂÷λ_макс., …, λ_n÷λ_макс. в общем диапазоне длин волн λ₁÷λ_макс., при помощи которых формируются исходные световые потоки, преобразуемые цифровые коды U₁, U₂, U₃, пропорциональные яркости для соответствующих элементов трех исходных спектрозональных телевизионных изображений представленных на фиг. 3а, 3б и 3в.

Результирующие изображения, получаемые по способу-аналогу показаны на фиг. 4а и по заявляемому способу на фиг. 4б. В изображении, полученном по способу-аналогу фиг. 4а форма результирующего сигнала искажена, поскольку результирующие отрицательные отсчеты яркости преобразованы в модуль яркости. В изображении, полученном по заявляемому способу фиг. 4б результирующие отрицательные отсчеты яркости отображаются с соответствующей полярностью выходного сигнала относительно уровня U_макс./2. Обеспечивается сохранение его формы и повышается точность формирования спектрозонального телевизионного сигнала в узкой зоне регистрации.

Рассмотрим пример, в котором величина яркости в соответствующих элементах двух исходных спектрозональных изображений будет равна в первом случае U₁=10, U₂=5, а во втором случае (например, в соседнем элементе) U₁=5, U₂=10 при U_макс.=255. Во втором случае разность цифровых кодов оказывается отрицательным числом, что для яркости изображения лишено физического смысла. По способу-аналогу выходное значение яркости при взятии модуля разности U_{вых 1}=U₁-U₂ в обоих случаях окажется равным U_{вых 1}=5, что приводит к искажению формы выходного сигнала. Аналогичная ситуация складывается, если отрицательные значения яркости отбрасывать и принимать в качестве выходного нулевое значение. При вычислении выходных значений по заявляемому техническому решению на основании формулы получим для первого случая , а для второго случая , что обеспечивает сохранение формы выходного сигнала относительно уровня U_макс./2=127,5 и, следовательно, повышает точность формирования спектрозонального телевизионного сигнала в узкой зоне регистрации.

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++.