Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Оптические приборы и системы

Диссертационная работа:

Демидов Владимир Михайлович. Методы и средства цифровой коррекции изображения в оптико-электронных системах визуализации : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.07 / Демидов Владимир Михайлович; [Место защиты: Моск. гос. ун-т геодезии и картографии]. - Москва, 2008. - 127 с. : ил. РГБ ОД, 61:08-5/542

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Глава 1. Обзор методов цифровой обработки изображений 10

  1. Компенсация неоднородности характеристик элементов матрицы 10

  2. Выявление дефектных элементов матрицы и их замещение 13

  3. Компенсация шума методом пространственной фильтрации 15

  4. Компенсация шума методом временной фильтрации 18

  5. Выделение контуров 19

  6. Автофокусировка 26

  7. Преобразование уровней яркости 29

  8. Геометрическое совмещение 36

  9. Мультиспектральное совмещение 39

1.10. Стабилизация 44

Выводы по главе 1 51

Глава 2. Совершенствование методов цифровой обработки изображений втепловизионных
системах на основе микроболометрических матриц 52

  1. Трехточечная многотабличная калибровка 52

  2. Замещение дефектных пикселей при помощи фильтра размытия 54

  3. Адаптивный алгоритм пространственной фильтрации 55

  4. Адаптивный алгоритм временной фильтрации 57

  5. Компенсация общего по всей строке или столбцу шума 60

  6. Реализация алгоритма контрастирования 68

  7. Модернизированный гистограммный метод регулировки уровней яркости 74

  8. Анализ и компенсация неравномерности характеристик шума при интерполяции 77

  9. Метод определения сдвигов и масштаба изображения при больших углах его поворота.... 87

2.10. Панорамное изображение 90

Выводы по главе 2 94

Глава 3. Практическая реализация предложенных алгоритмов в тепловизионных системах 96

  1. Обобщенная структурная схема реализованных тепловизионных систем 96

  2. Портативный тепловизор «Сыч» 101

  3. Миниатюрный тепловизор «Скопа» 104

  4. Тепловизионный прицел «Шахин» 106

  5. Тепловизионный модуль «Модуль МБ-2» 108

  6. Двухспектральная система видеонаблюдения «Филин» 109

  7. Термограф «Аврора» 111

Выводы по главе 3 113

Заключение 114

Список литературы 115

Приложение 1. Выступления 127

Введение к работе:

Актуальность. Одной из наиболее явных тенденций развития современных оптико-электронных систем визуализации, и, в частности, тепловизионных, является использование в их составе матричных приемников излучения. В последние годы все большее распространение в таких системах находят неохлаждаемые болометрические матричные приемники (микроболометры). Микроболометры, как правило, не требуют криогенной системы охлаждения, и, следовательно, тепловизионный модуль имеет меньшие энергопотребление, габариты и массу. Производство микроболометрических матриц на основе оксида ванадия или на кремниевой основе значительно дешевле, чем охлаждаемых фотоприемников. Однако, применение матричных приемников излучения, в частности, микроболометрических, ведет к необходимости учета и компенсации ряда факторов, связанных с дискретностью структуры приемника, заметно влияющих на качество получаемых изображений. К ним относятся искажения из-за дискретизации изображения наблюдаемой сцены, из-за неоднородности параметров и характеристик отдельных чувствительных элементов матричных приемников. К недостаткам микроболометрических матриц относится также высокий уровень шума.

Развитие современной микроэлектроники позволяет успешно внедрять методы коррекции изображения электронными средствами, в первую очередь, цифровые, основанные на использовании многоэлементных матричных приемников излучения и цифровых компонентов (аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, интегральные схемы), осуществляющие обработку видеоизображения, полученного в оптико-электронной системе в реальном масштабе времени. Наибольшие успехи в этой области связаны с широким распространением цифровой аппаратуры видео- и фотосъемки, а также с развитием алгоритмов сжатия для передачи в сетях информационной коммуникации и хранения видеоданных. Возможность хранения цифрового изображения в памяти позволяет производить совмещение двух изображений, стабилизацию, построение панорамного изображения и другие операции.

Объектив со
шторкой

Микроболометрическая матрица

Блок цифровой обработки сигнала

Блок цифрового интерфейса

Блок управления и питания матрицы

Пульт управления

Дисплей

Видеосигнал

Управление с ПК

Блок управления двигателями фокусировки и калибровочной шторки

Рис. 1. Обобщенная структурная схема современной тепловизионной системы «смотрящего» типа с микроболометрической матрицей

На рис. 1 приведена обобщенная структурная схема современной тепловизионной системы «смотрящего» типа с микроболометрической матрицей. Применяемые микроболометрические матрицы снабжены системой поддержания температуры на подложке чувствительных элементов. Параметры работы матрицы (уровень сигнала, чувствительность, внутренняя температура) задаются набором входных напряжений, поступающих с блока управления и питания матрицы. Для проведения калибровки предусмотрен узел шторки, расположенный между объективом и матрицей. В некоторых системах предусмотрена система фокусировки по получаемому изображению. Микроболометрическая матрица формирует аналоговый сигнал, который в дальнейшем оцифровывается на АЦП. Блок цифровой обработки сигнала производит обработку оцифрованного сигнала для дальнейшего его представления на встроенном дисплее или на внешнем устройстве отображения. В данной диссертации блок цифровой обработки сигнала построен на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), либо на базе цифрового сигнального процессора (Digital Signal Processor - DSP). Настройка и управление системой производится либо с пульта управления, либо с ПК через стандартные интерфейсы.

Требования к результатам цифровой обработки тепловизионного изображения, получаемого с микроболометрических матриц, очень часто аналогичны требованиям, предъявляемым к телевизионному изображению, несмотря на то, что качество изображений, получаемых с микроболометрических матриц, хуже, чем с фотоприемных матриц, работающих в видимом диапазоне. Цифровой обработке изображений в отечественной и зарубежной литературе посвящено большое число работ (У. Прэтт, Р. Гонсалес, Р. Вудс, Б. Яне, Д.А. Форсайт, Ж. Понс, С. Уэлстид, Д.С. Лебедев, В.А. Сойфер, И.И. Цуккерман, Л.П. Ярославский и многие другие). Тем не менее, развитые сегодня методы цифровой обработки изображения, используемые в видео- и фототехнике, применительно к неохлаждаемым тепловизионным системам нуждаются в существенном совершенствовании, что связано со сравнительно большой неоднородностью параметров и характеристик матричных микроболометров, нелинейностью их характеристик, высоким уровнем шумов и, как правило, низким контрастом самой сцены. Необходимость коррекции и ослабления влияния этих факторов на видеоизображение и определяет актуальность темы диссертации.

Целью работы является разработка алгоритмов цифровой обработки, позволяющих улучшить качество тепловизионого видеоизображения, получаемого при помощи микроболометрической матрицы.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

  1. анализ и совершенствование методов компенсации неоднородности параметров и характеристик элементов микроболометрической матрицы;

  2. разработка алгоритмов компенсации шумов и образования высококонтрастных изображений, получаемых с помощью микроболометрической матрицы;

  3. разработка метода определения взаимного сдвига, масштабирования и поворота двух кадров видеоизображения.

Методы исследования. Все разработанные методы и алгоритмы были предварительно протестированы на персональных компьютерах. В качестве тестовых видеоданных применялись необработанные цифровыми методами видеопоследовательности, записанные после оцифровки с микроболометрической матрицы тепловизора. После тестирования на персональном компьютере алгоритм переносился на тепловизионные системы, разработанные в ОАО «ЦНИИ «Циклон». Для реализации использовались либо язык C и C++ в среде программирования Texas Instruments Code Composer Studio для DSP-процессоров TMS320C6200 и TMS320C6400, либо язык Verilog HDL в среде Xilinx ISE для ПЛИС Xilinx XC2S200 и XC2VP4.

Научная новизна результатов диссертационных исследований состоит в следующем:

  1. обосновано применение трехточечной многотабличной калибровки для существенного улучшения качества изображения в тепловизионных системах на основе микроболометрических матриц;

  2. построена система алгоритмов (замещения дефектных элементов матрицы, компенсации шумов, повышения контраста, автофокусировки), использующая результаты применения общего для всех них фильтра, что позволяет оптимизировать вычислительный процесс;

  3. обнаружено наличие искажений равномерности по всему кадру дисперсии шумов после геометрических преобразований (масштабирование, поворот) равномерно зашумленных белым шумом изображений;

  4. разработан быстрый алгоритм автоматической регулировки уровней яркостей, который эффективен в случае обработки изображений с широким диапазоном яркостей;

  5. разработан алгоритм поиска и коррекции геометрического рассогласования двух кадров для произвольного угла их взаимного поворота.

Практическая ценность работы состоит в том, что в целях улучшения качества изображения на выходе тепловизионых систем «смотрящего» типа, использующих микроболометрические матрицы, разработана и реализована целостная система алгоритмов цифровой обработки видеоизображения.

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. многотабличная трехточечная калибровка в тепловизионных системах с микроболометрами позволяет обеспечивать требуемое качество изображения в широком диапазоне температур наблюдаемых сцен;

  2. для реализации ряда алгоритмов (замещения дефектных элементов матрицы, компенсации шумов, повышения контраста и автофокусировки) возможно использование общего фильтра размытия;

  3. для компенсации искажений равномерности дисперсии шумов по кадру после геометрических преобразований (масштабирование, поворот) равномерно зашумленных белым шумом изображений возможно использовать предложенный метод, основанный на использовании фильтра размытия;

  4. предложенный быстрый алгоритм автоматической регулировки уровней яркостей эффективен в случае обработки изображений с широким диапазоном яркостей;

  5. используя алгоритм, основанный на сборе статистики по окружностям на изображении, можно найти геометрическое рассогласование двух кадров для произвольного угла их взаимного поворота;

Апробация работы. Основные положения докладывались на научно-практических конференциях международных форумов «Оптика-2006» и «Оптика-2007» и на международном форуме «Научная сессия МИФИ-2007» (12 докладов). Реализация алгоритмов была осуществлена на тепловизионных системах, разработаных в ОАО «ЦНИИ «Циклон» на базе DSP-процессора TMS320C6400 и ПЛИС Xilinx XC2S200, XC2VP4.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 научно-технических статей, из них одна в журнале, включенном в перечень ВАК.

Достоверность полученных в работе алгоритмов подтвердилась в процессе проводимых исследований и испытаний в ОАО «ЦНИИ «Циклон» в рамках ОКР: «Модуль МБ-2», «Филин», «Обзор-ТМ1», «Шахин», «Аврора», «Сыч-3», «Скопа-3» и др.

Объем и структура работы

Подобные работы
Фирсов Евгений Андреевич
Развитие и применение корреляционных методов обработки изображений в быстродействующих оптико-электронных следящих системах
Олейников Леонид Шлемович
Методы и средства стабилизации оптических параметров криотелескопов космического базирования и наземных имитационно-испытательных комплексов
Дёмкин Владимир Николаевич
Лазерные методы и средства измерения геометрии поверхностей сложной формы
Бугаенко Адольф Георгиевич
Методы и средства контроля характеристик тепловизионных приборов и систем
Никитков Александр Александрович
Разработка и исследование методов и средств обеспечения функциональных параметров аксиконов
Коршунов Александр Иванович
Методы и средства повышения эффективности гирооптических систем управления объектом
Демкин Владимир Николаевич
Лазерные методы и средства измерения геометрии поверхностей сложной формы
Скалецкая Ирина Евгеньевна
Методы и средства поляризационно-оптической диагностики в наноматериаловедении
Чжан Хань
Исследование оптико-электронных систем измерения параметров пространственной ориентации перемещаемых объектов
Шилин Александр Николаевич
Оптико-электронные системы контроля геометрических параметров оболочек вращения в процессе их формообразования

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net