Электроника
Алгоритмы считывания и отображения информации с матрицы инфракрасной сканирующей системы
Таким образом, разработчику необходимо создать комплекс эффективных алгоритмов считывания информации с фотоприемного устройства (ФПУ) ИКС и отображения на систему визуализации.
Рис. 1. Общая схема процесса применения алгоритмов считывания и отображения
Общая схема процесса представлена на рис. 1.
Важной задачей является выбор фоточувствительной матрицы. Для современных ИКС характерно использование матриц сложной формы. В качестве ФПУ для дальнейших исследований выберем матрицу ID TL056 XX 480x6 LW IRCMOS INTEGRATED DETECTOR DEWAR COOLER ASSEMBLY (IDDCA) WITH THALES CRYOGENIE COOLER TYPE LS10-11 i (в дальнейшем -ID TL056 XX), разработанную компанией SOFRADIR (Франция) - одним из мировых лидеров по производству ФПУ для ИКС гражданского и военного назначения. На ее примере можно показать специфику проблематики считывания и отображения информации с многоэлементных приемников излучения современных ИКС для обнаружения объектов.
ID TL056 ХХ-матрица (рис. 2) чувствительна к излучению с длиной волны от 7,7 до 10,3 мкм. Она содержит в себе 480 линий (каналов) по шесть пикселей в каждом, на которых временная задержка и интеграция реализуются через встроенную цепь readout (рис. 3). Размер всего чувствительного массива: 758 мкм - ширина и 12205 мкм - длина. Расстояние между центром последнего пикселя первого набора и центром первого пикселя второго набора -232,4 мкм. Размер каждого пикселя - 28 мкм (в направлении сканирования) на 38 мкм (перекрестное направление сканирования). Шаг сканирования равен 49,8 мкм, перекрестный шаг - 25,4 мкм.
Рис. 2. Общий вид ID TL056 XX
Применять данную матрицу можно для широкого круга ИКС, но, на наш взгляд, наиболее интересно ее применение в инфракрасных сканирующих системах для обнаружения объектов различной природы.
В процессе сканирования через некоторое количество тактов (точное их число будет рассчитано ниже) после начала работы правая часть матрицы, содержащая четные строки, займет положение, показанное на рис. 4. В этот момент как раз и происходит считывание информации с ФПУ.
Теперь очевидно, почему применение данной матрицы имеет преимущество перед более простыми аналогами. Из рис. 4 видно, что при использовании данной матрицы часть информации, попавшей в процессе сканирования в зазор между отдельными пикселями, не будет потеряна, что особенно важно для систем, к которым предъявляются высокие требования по вероятности обнаружения объектов.
Рис. 3. Матрица ID TL056 XX
Рис. 4. Вид "виртуальной" матрицы через некоторое время после начала сканирования
Однако при считывании и отображении информации (энергии каждого пикселя) возникают вопросы: как сопоставить пиксели стандартного дисплея и пиксели данной матрицы? Как распределять энергию перекрывающихся пикселей? Для ответов на эти вопросы необходимо построить программную модель работы сканирующей системы и разработать алгоритмы считывания энергии пикселей с матрицы на стандартный экран современных дисплеев.
Вывод расчетных соотношений для матрицы ID TL056 XX и реализация работы сканирующей системы
Прежде чем приступить к моделированию работы системы, необходимо получить некоторые расчетные соотношения для матрицы ID TL056 XX, чтобы представить общую картину работы прибора. Для этого выбрана система P-Cad 2002, в которой детально отображена структура матрицы. Вид матрицы через 11 тактов после начала сканирования в масштабе 1:1000 показан на рис. 5.
С помощью данного рисунка можно провести все необходимые расчеты, которые будут использованы при программной реализации модели. Причем, главное, что необходимо рассчитать - это количество пикселей изображения, которые попадают на элементы матрицы.
Предположим, что на матрицу накладывается цифровое изображение, размер одного пикселя которого составляет 6x6 мкм, как показано на рис. 6. Если на самом деле эта картина имеет другой вид, то ее всегда можно привести к данному виду, пренебрегая краевыми эффектами.
Рис. 5. Вид матрицы через 11 тактов после начала сканирования в масштабе 1:1000
Рис. 6. Наложение цифрового изображения на матрицу
На рис. 7 представлены результаты расчетных соотношений для матрицы ID TL056 XX.
Цифры над каждым пикселем и в промежутках между ними означают количество пикселей исходного изображения, попавших на матрицу и промежуток между пикселями. В качестве цифрового изображения, накладываемого на матрицу сканирующей системы, выбрано изображение размером 1024x768 пикселей, представленное на рис. 8.
Выбор именно такого изображения был основан на том, что при анализе данных, полученных с матрицы системы, все искажения, возникающие при сканировании, будут более отчетливо видны в случае двухцветного рисунка, состоящего из геометрических фигур и линий.
Рис. 7. Результаты расчетов для матрицы системы
Рис. 8. Исходное изображение, накладываемое на матрицу системы
Рис. 9. Структурная схема алгоритма реализации модели работы сканирующей системы
Для реализации модели работы сканирующей системы в качестве среды разработки был выбран математический пакет MATLAB 6.5, который фактически стал принятым во всем мире стандартом для технических вычислений.
Структурная схема алгоритма реализации модели сканирующей системы представлена на рис. 9.
Результат работы программы, реализующей данный алгоритм, представлен на рис. 10. Как видно, при работе системы возникают искажения сторон квадратов и линий. Поэтому нельзя напрямую визуализировать процесс сканирования системой отображения информации и необходим эффективный алгоритм отображения информации с матрицы.
Рис. 10. Результат сканирования исходного изображения
Рис. 11. Структурная схема алгоритма обработки "нечетной строки"
Разработка алгоритмов для отображения информации с матрицы ID TL056 XX
Анализируя рис. 10 и задачи, которые должно решать сканирующее устройство с данной матрицей, приходим к выводу, что алгоритмы отображения информации с матрицы должны не размывать исходную картину, а, наоборот, сжимать ее. Этого можно добиться, оставляя только нечетные строки в отсканированном изображении и определенным образом концентрируя в них энергию из пикселей четных строк.
Проанализируем, как изменится изображение, если оставить только нечетные строки в отсканированном изображении, не учитывая четных строк. Структурная схема алгоритма действий по изменению массива отсканированного изображения представлена на рис. 11, а полученные результаты - на рис. 12.
Из рис. 12 видно, что в результате отбрасывания четных строк исчезли заметные искажения сторон квадратов и линий. Это подтверждает предположение о правильности выбора методики отображения. Однако в данном алгоритме не учитывается энергия четных строк, что приводит к тому, а это часть информации, попавшей в зазор между отдельными пикселями, будет потеряна, а это недопустимо в данном случае.
Рис. 12. Обработанное изображение без учета четных строк
Рис. 13. Структурная схема алгоритма "дополнения половиной"
Для того, чтобы учесть энергию пикселей четных строк, поступим следующим образом: одинаково распределим энергии каждого четного пикселя между нечетными, с которыми он пересекается (назовем это алгоритмом "дополнения половиной").
Рис. 14. Результат применения алгоритма "дополнения половиной"
Из рис. 14 видно, что очертания линий стали более четкими, а искажения их формы - менее заметны. Эти изменения произошли за счет учета энергии пикселей отброшенных четных строк. Следовательно, такими действиями можно существенно улучшить изображение, полученное в результате сканирования.
Литература:
1. Arnold, N. J. A real-time synthetic image generator for quantifying the performance of infrared imagers. SPIE Proc. 1995. V. 2553. P. 436-450.
2. Ллойд, Дж. Системы тепловидения. Пер. с англ. под ред. А. И. Горячева. М.: Мир, 1978. 416 с.
3. Справочник по инфракрасной технике: В 4 т. Под ред. У. Волфа и Г. Цисиса. Пер. с англ. Н. В. Василь-ченко, В. А. Есакова и М. М. Мирош-никова. М.: Мир, 1995-2000.
4. Au, R. H. Optical window materials for hypersonic flow SPIE Proc. 2001. V. 1112. P. 330-339.
5. Ерофейчев, В. Г. Инфракрасные фокальные матрицы. Оптич. журнал. 2003. Т. 63, №6. С. 4-17.
6. Крутиков, С. В., Логинов, А. В. Многоэлементные приемники изображения. Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 2001. 96 с.
7. Тарасов, В. В., Якушенков, Ю. Г. Инфракрасные системы "смотрящего" типа. М.: Логос, 2004. 444 с.