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 достоинствообеспечение 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 статистикикорреляционная теория анализа случайных процессовстатическая теория принятия решений и оценок параметров сигналов на фоне помехтеория линейных системтеория помех пространственной дискретизации изображения с учётом особенностей зрительного восприятияметоды 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.

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.

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.