Повышение контраста малоконтрастных изображений объектов, находящихся в воздушной среде



В данной работе разработан метод повышения дальности наблюдения малоконтрастных объектов в условиях пониженной видимости, вызванными сложными метеоусловиями.

Ключевые слова: рассеяние света, поглощение света, экстинкция света, оптический диапазон, пороговый контраст, дальность обнаружения тв система, фотоприемник, светофильтр, сигнал-шум

Разработка методов увеличения дальности наблюдения объектов в затрудненный условиях в воздушной среде относится к классу задач обнаружения объектов по спектральным признакам в мутных средах. В данной работе разработан метод повышения контрастности и даны рекомендации по проектированию ТВ систем.

Основные этапы разработки метода:

− Понятие малоконтрастного изображения;

− Спектральный метод повышения контраста объектов;

− Анализ влияния параметров ТВ камеры на дальность обнаружения;

− Спектральный способ повышения дальности обнаружения.

1. Разработка метода повышения контраста изображений малоконтрастных объектов, находящихся в воздушной среде.

1.1. Понятие малоконтрастного изображения.

Минимальная величина k, при которой глаз воспринимает соседние детали, называется порогом контрастной чувствительности глаза и составляет 3 %. Она зависит от яркости объекта и фона, угловых размеров объекта наблюдения и чёткости контура объекта на фоне. Изображения, обладающие величиной контраста в оптическом диапазоне меньше 3 % являются малоконтрастными. В таком случае, отличие объекта от фона не сможет быть зарегистрировано человеческим глазом.

1.2. Спектральный метод повышения контраста объектов.

Суть метода заключается в выделении той части спектра, которая будет нести наиболее качественную и полную информацию об объекте наблюдения в условиях неблагоприятной метеообстановки. Получение изображения объекта заключается в регистрации яркости объекта в разных спектральных зонах. Ее амплитуда варьируется на разных длинах волн и зависит от оптических характеристик объекта наблюдения. Ввиду молекулярного состава атмосферы, частицы, входящие в состав среды распространения волн оптического диапазона, в наибольшей мере оказывают влияние на коротковолновое излучение. Меньше всего рассеянию подвергаются более длинные волны, а именно, относящиеся к ближнему инфракрасному диапазону.

Взвеси, находящиеся в среде распространения, несут в себе сигнал (интенсивностью I_с), складывающийся с полезным сигналом (объекта и фона, с интенсивностью I_с и I₀ соответственно) и вызывающий затруднения при наблюдении. Стоит отметить, что состав среды неравномерен, и характер рассеяния создает неравномерный по полю зрения фон. Ввиду неравномерности среды, появятся флуктуации и восприятие картины несколько изменится (рисунок 1).

Рис. 1. Восприятие интенсивности объекта и фона с учетом неравномерности среды

Предложенный метод заключается в следующем. На первой итерации определяются центральные длины волн λ_i и ширина Δλ_i спектральных диапазонов (1) и (2) как показано на рисунке 2. Выбор осуществляется на основе спектрального анализа изображения в k спектральных каналах по пространственным частотам.

Рис. 2. Спектральные диапазоны работы ТВ системы

Для определения спектрального канала, содержащего информацию об искажающей среде, с помощью ФНЧ на изображении выделяется НЧ составляющая сигнала в каждом из спектральных каналов. Тот спектральный канал, в котором наблюдается минимум СКО, принимается за фоновый X_ф.

Для определения спектральных каналов, содержащих информацию об объекте сигналы изображений каждого из спектральных каналов, подвергаются ВЧ фильтрации. Распределение СКО по длинам волн λ_i, показывает изменение количества информации об объекте в зависимости от λ_i. Максимум СКО соответствует максимальной детализации объекта на изображении.

Для получения изображения с повышенным контрастом необходимо из видеосигналов оставшихся каналов, не подвергавшихся низкочастотной фильтрации, вычесть сигнал фона X_ф, взятый с коэффициентом пропорциональности b_i. Значения коэффициента b_i рассчитываются исходя из распределения амплитуд ВЧ составляющих в спектральных каналах.

1.3. Анализ влияния параметров ТВ камеры на дальность обнаружения.

На дальность обнаружения объекта, помимо метеообстановки, также влияет размер объекта. На больших расстояниях, когда проекция объекта на матрицу ТВ камеры составляет единицы пикселов, объект считается точечной целью. Чем больше угол зрения камеры, тем более затруднительно обнаружение объектов на больших дальностях. На рисунке 3 изображен график для угла зрения камеры 10^о.

Рис. 3. Угол зрения камеры 10^о

Как видно объекты не превратились в точечную цель даже пройдя пороговый уровень контраста. Это показывает, что для данного угла зрения дальность обнаружения объектов является максимальной.

Также на дальность обнаружения влияет способность камеры накапливать фотоэлектроны. Зависимость порогового контраста от числа накопленных фотоэлектронов показана на рисунке 4.

Рис. 4. Зависимость K_пор от N_ф

Данная зависимость означает, что чем больше емкость потенциальной ямы, тем большая контрастная чувствительность ТВ системы может обеспечиваться.

1.4. Спектральный способ повышения дальности обнаружения объектов.

Спектральный способ повышения дальности основывается на выборе спектрального канала, обеспечивающего максимум контраста изображения и отношения сигнал-шум.

Анализ сигналов спектральных каналов ведется после применения метода повышения контраста. По сигналам изображений, очищенных от сигнала среды рассчитывается контраст и отношение сигнал-шум.

Блок-схема алгоритма выбора спектрального диапазона представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Блок-схема алгоритма выбора спектрального диапазона

Заключение.

В заключении можно сделать следующие выводы:

− для повышения дальности обнаружения объектов необходимо использование ТВ камер с малыми углами поля зрения и большой емкостью пиксела;

− применение способа повышения дальности обнаружения адаптивной ТВ системы в который заложен критерий максимума контраста и отношения сигнал/шум позволяет выбрать оптимальный светофильтр для данных метеоусловий.

Литература:

1. Восприятие цвета [Электронный ресурс]. URL: http://colory.ru/vospriyatie/ (Дата обращения: 29.04.2016).
2. Рассеяние света [Электронный ресурс]. URL: http://www.webpoliteh.ru/subj/fizika/543–5-7-rasseyanie-sveta.html (Дата обращения: 29.04.2016).
3. Егошина И. Л., Белобородов Д. В. Метод и алгоритм автоматический обработки малоконтрастных медицинских изображений // Инновационная наука. — 2015. — № 10–1. с. 2–4.
4. Горбачёв А. А., Коротаев В. В., Ярышев С. Н. Твердотельные матричные фотопреобразователи и камеры на их основе. — СПб.: НИУ ИТМО, 2013. — 98 с. С. 20–51.