Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Основы цифровой обработки изображений. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 98 9 > Следующая >>>

(BÄ S)⊖S

1 1

1 1 1

1 1

1 1 1

1 1

1 1 1 1 1

1 1

1 1 1

1 1 1 1

1 111

1 1

1 1 1 1 1 1

(BÄ S)

1 1

1 1 1

Рис. 50

Комбинации последовательного применения морфологических

операций дилатации и эрозии образуют две другие часто используемые морфологические операции: замыкание и размыкание.

Последовательно выполняемые морфологические операции

дилатации и эрозии представляют собой морфологическое закрытие (замыкание) BS бинарного изображения В структурирующим элементом S:

BS =(BS) ⊖ S.

На рис. 51, б представлен

результат применения к изображению рис. 50 операции закрытия структурирующим элементом S. Рис. 51, а иллюстрирует применение операции дилатации, в результате которой происходит не только заполнение малых «пустот», но и утолщение контура объекта. Избежать этого увеличения позволяет операция эрозии, выполненная сразу после наращивания с тем же структурирующим элементом.

Операция замыкания закрывает

небольшие внутренние «пустоты» в бинарном изображении и убирает углубления по краям области.

Рис. 51

1 1

1 1 1

1 1 1 1

1 1

1 111

1 1 1

1 1

1 1 1

B⊖S

(B⊖S)Ä S

а б

Рис. 52

В результате применения замыкания возможно заполнение

«пустоты» внутри области (множество B) без изменения внешних границ этой области.

Операция эрозии полезна для удаления малых объектов и ИШ,

но у нее есть недостаток – все остающиеся объекты уменьшаются в размере. Для снижения данного недостатка после операции эрозии применяют операцию наращивания с тем же структурирующим элементом.

Открытие (размыкание)

структурирующим элементом S осуществляется последовательным выполнением морфологических операций – эрозии и дилатации:

=(B ⊖ S)  S.

На рис. 52, б представлен результат выполнения операции

размыкания

бинарного изображения В (рис. 52, а) структурирующим элементом S. Серым цветом выделена область изображения, полученная в результате применения операции эрозии.

бинарного изображения В

Размыкание отсеивает все объекты, меньшие чем структурный

элемент, но при этом помогает избежать сильного уменьшения размера объектов. После этой операции контуры объектов становятся более гладкими.

изображений?

бимодальной?

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое пороговая бинаризация изображения полутоновых

2. Какие разновидности пороговой бинаризации вы знаете?

3. В чем отличие унимодальной гистограммы изображения от

4. Каким образом определяется пороговое значение для

оптимальной бинаризации бимодальных изображений по Отцу?

5. В чем заключается критерий разделимости по алгоритму

Отцу?

6. Какие операции морфологической обработки бинарных

изображений вы знаете?

7. В чем заключается операция дилатации? Для решения каких

задач ее применяют?

8. В чем заключается операция эрозии? Для решения каких задач

ее применяют?

9. Поясните, каким образом выполняется операция размыкания.

10. Поясните, каким образом выполняется операция замыкания.

7. Обработка изображений инфракрасных диапазонов

За пределами области видимого диапазона излучения

возможности зрения ограничены настолько, что человек даже на открытой местности способен наблюдать только крупногабаритные объекты. Системы тепловидения расширяют возможности зрения человека, делая видимым естественное излучение нагретых объектов в диапазоне от коротковолновой до длинноволновой ИК области спектра. Процесс получения изображения ИК диапазона основан на обнаружении по тепловому излучению, а затем и на опознавании объекта, температура которого отличается от температуры фона.

Поиск объекта в сложных условиях (дым, пыль, туман, осадки,

фоновая засветка, низкая освещённость, маскировка и др.) разделяют на 3 этапа:

• обнаружение, когда наблюдатель выделяет из фона объект,

характер которого остается для него неясным;

• опознавание, когда наблюдатель называет объект и может

определить его форму, т. е. крупные детали объекта;

• идентификация объекта, когда наблюдатель, различая

отдельные мелкие детали, может отличать этот объект от других, находящихся в его поле зрения.

В некоторых источниках литературы этапы поиска называют

детектированием, обнаружением и идентификацией. При этом вероятность детектирования является функцией размеров и контраста объекта, а их составляющие определяют либо величину телесного угла объекта в сравнении с телесным углом поля зрения оператора, либо процент поля зрения, занимаемый объектом. Контраст в любой точке определяется отношением разности яркости объекта и фона к их сумме.

Рис. 53

Таким образом, к основным факторам, влияющим на решение

задачи поиска, относятся:

 угловые размеры объекта;  контраст объекта;  яркость фона;  угловое поле обзора;  время наблюдения объекта;  скорость движения объекта.

При необходимости поиска малоразмерных объектов при низких

уровнях освещенности используются оптико-электронные приборы (ОЭП) ночного видения, дальность действия которых определяется уровнем естественной ночной освещенности и параметрами и характеристиками ключевого элемента техники ночного видения – электронно-оптического преобразователя (ЭОП).

7.1. Принцип действия ЭОП

ОЭП ночного видения предназначены для получения

информации о различных объектах в темное время суток или когда визуальная видимость ограничена недостаточной естественной ночной освещенностью. Их действие основано на различии в отражательной способности элементов объектов наблюдения и окружающего их фона. В ОЭП ночного видения невидимое для человеческого глаза изображение местности или объектов наблюдения на входе прибора многократно усиливается и преобразуется в видимое изображение на его выходе. Ключевым элементом этих приборов является фотоэмиссионный электронно-оптический преобразователь (ЭОП).

Схема первого ЭОП, получившего название «стакан Холста» и предназначенного для визуализации ИК изображения, представлена на рис. 53, где 1 – фотокатод; 2 – металлизированный катодолюминесцентный экран; 3 – стеклянный цилиндр (корпус); 4 – поток электронов; 5 – электроны, не получившие достаточного ускорения.

В стеклянном корпусе, вакуумированном до давления 103 ... 1,5∙104 Па для беспрепятственного движения электронов, на входной торец наносится полупрозрачный светочувствительный слой из окиси

серебра, очувствленный цезием (кислородно-цезиевый серебряный фотокатод), с выведенным из корпуса проводником. Противоположный торец стеклянного корпуса покрывается изнутри слоем люминофора (экран), на который наносится тонкий полупрозрачный слой металла, соединенный с проводником, также выведенным из корпуса. Между экраном и фотокатодом создается разность потенциалов порядка 10 - 15 кВ. Если на фотокатод такого преобразователя спроецировать изображение объектов в ИК диапазоне спектра, то за счет внешнего фотоэффекта его кванты вырывают из фотокатода электроны, которые под действием ускоряющего поля, создаваемого высоким напряжением, приложенным между фотокатодом и экраном, направляются к экрану. В области соударения фотоэлектронов с люминофором возникает наблюдаемое глазом свечение в видимой области спектра. Таким образом, процесс преобразования ИК излучения в видимое происходит по следующей схеме: высвобождение электрона из светочувствительной мишени (фотокатода) в результате ее взаимодействия с фотоном ИК излучения (внешний фотоэффект) – перенос электрона к экрану электрическим полем – катодолюминесценция (обратный эффект), при которой фотоэлектрон, бомбардирующий катодолюминесцентный экран, создает фотон.

Данный процесс называется двойным преобразованием, которое

можно представить в следующем виде:

hυ1  ne  hυ2,

где hυ1 и hυ2 – энергия падающего и вылетающего фотонов с частотами υ1 и

υ; h – постоянная Планка, n= 1,2,3... .

Низкое качество визуализированного изображения, получаемое

с использованием «стакана Холста», обусловлено отсутствием фокусировки электронов, осуществляемой в последующих ЭОП электронной линзой.

Современный ЭОП представляет собой более сложный

электровакуумный прибор, созданный путем эволюции «стакана Холста», в котором происходит прямой перенос электронов с фотокатода на экран. В действительности имеет место разлет электронов, поэтому ИК изображение объектов, спроецированное на фотокатод, на экране получается неконтрастным с очень низким пространственным разрешением. Визуализированное преобразователем ИК изображение должно обладать высокой четкостью. Поэтому основными элементами ЭОП являются фотокатод с внешним фотоэффектом, фокусирующая и ускоряющая электроны электроннооптическая система и катодолюминесцентный экран.

Схематически принцип действия ЭОП показан на рис. 54, где 1 – фотокатод; 2 – электронное изображение на фотокатоде; 3 – траектории электронов; 4 – электронное изображение на экране; 5 – оптическое изображение на экране; 6 – глаз наблюдателя; 7 – окуляр; 8 – катодолюминесцентный экран; 9 – фокусирующая электроннооптическая система; 10 – оптическое изображение на фотокатоде; 11 – объектив. Изображение объектов наблюдения с помощью объектива 11 проецируется на фотокатод 1 ЭОП. За счет фотоэлектронной эмиссии на фотокатоде создается электронное изображение 2, в котором плотность электронов соответствует освещенности на фотокатоде. Электроны, эмитируемые из освещенных точек фотокатода, вылетают в вакуум из его поверхности с различными скоростями и под различными углами. Электронно-оптическая система 9 создает в ЭОП электрическое поле, ускоряющее электроны и фокусирующее их таким образом, чтобы все электроны, вылетевшие из точек фотокатода, собрались в сопряженных точках на катодолюминесцентном экране 8.

Рис. 54

Таким образом, электронное изображение переносится в плоскость экрана, и при этом распределение степени возбуждения фотоэлектронами поверхности экрана и соответственно распределение яркости его свечения определяются распределением освещенности фотокатода.

7.2. Сравнительный анализ ИК диапазонов

Для наблюдения объектов в сложных условиях (дым, пыль, туман, осадки, фоновая засветка, низкая освещённость, маскировка и др.) разработан класс оптико-электронных комплексов, обозначаемый термином – «системы «улучшенного видения» (СУВ) или, в зарубежной литературе, EVS (от англ. – Enhanced Vision Systems). Под термином «улучшение видения» понимают совокупность преобразований, направленных на усиление контрастности и акцентирование контурного препарата изображения, которые вносят наибольший вклад в выделение объектов в наблюдаемом кадре. Разработка СУВ, как правило, предполагает использование в каналах

Диапазон:

длина

волны

Достоинства

Недостатки

УФ: 0,1...0,38 мкм

- низкий уровень естественных помех;

- эффективен при

обнаружении ряда объектов искусственного происхождения: например, факелов, образующихся в результате сгорания ракетного топлива

- наибольший коэффициент затухания в тропосфере по сравнению с остальными диапазонами

Рис. 55

системы технического зрения (СТЗ), помимо телевизионных (ТВ) датчиков видимого диапазона длин волн (380-760 нм), тепловизионных (ТПВ) датчиков коротковолнового SWIR (Short Wave Infrared, длина волны 0,9-1,7 мкм), средневолнового MWIR (Medium Wave Infrared, 3-5 мкм) или длинноволнового LWIR (Long Wave Infrared, 8-14 мкм) ИК диапазонов.

Использование диапазонов SWIR, MWIR и LWIR обусловлено наличием на данных длинах волн  окон прозрачности атмосферы, где коэффициент пропускания ИК излучения  превосходит значение 0,5 (рис. 54).

В табл. 8 приведена сравнительная характеристика УФ, видимого и ИК диапазонов.

Исходя из преимуществ и недостатков каждого из ИК диапазонов (табл. 8), в СУВ с одним ТПВ каналом используют, как правило, MWIR или LWIR сенсор. Использование данных сенсоров обусловлено наличием окон прозрачности тропосферы с коэффициентом пропускания излучения более 0,5 (для УФ диапазона – более 0,2) для соответствующих им длин волн (табл. 8).

Таблица 8

Диапазон:

длина волны

Достоинства

Недостатки

Видимый:

0,38...0,7 мкм

- лучшее визуальное

восприятие наблюдаемой сцены (распознавание объектов оператором);

- высокий контраст при хороших условиях наблюдения

- низкое качество изображений при низкой освещённости (менее 2 лк) и в плохих метеоусловиях

Ближний ИК,

NIR: 0,7...0,9 мкм

- более высокая по сравнению

с видимым диапазоном контрастность изображений при низкой освещённости;

- высокая детализация изображений растительности

- низкое качество изображений при освещённости менее 0,5 лк

Коротковолновый ИК,

SWIR: 0,9...1,7 мкм

- схожесть с изображениями

видимого диапазона, поскольку сенсором воспринимается отражённый свет, а не собственное излучение;

- большая дальность видимости в мороси и дыме;

- вдвое большая величина естественной ночной освещенности по сравнению с видимым диапазоном

- низкое качество изображений при освещенности менее

0,5 лк;

- выраженный

геометрический шум сенсоров

Средневолновый ИК,

MWIR:

3...5 мкм

- наилучший контраст небо земля;

- наименьшее затухание в тропосфере;

- отсутствие теней

- избыточный контраст

сильно нагретых (горящих) объектов по сравнению с LWIR

Длинноволновый ИК,

LWIR: 8…14 мкм

- большая дальность

видимости в условиях дыма и пыли, а также при низких температурах;

- отсутствие эффекта солнечной засветки;

- отсутствие теней

- больший

коэффициент затухания в атмосфере по сравнению с MWIR;

- низкая контрастность в условиях высоких температур;

- отсутствие чётких контуров объектов

Окончание таблицы 8

7.3. Общие сведения о комплексировании изображений

от разноспектральных датчиков

Объединение информации от разноспектральных монохромных сенсоров реализуют с помощью алгоритмов комплексирования (в английской литературе используется более точный по смыслу термин «fusion» – слияние). Результирующее изображение при этом имеет большую информативность, чем изображения от каждого из каналов многоспектральной системы технического зрения (СТЗ) в отдельности.

Совмещение кадров с разноспектральных камер в общем случае затрудняется различной физической природой формируемых ими изображений: УФ, ТВ, NIR и SWIR камеры воспринимают отражённый объектом свет, в то время как тепловизионные (ТПВ) камеры MWIR и LWIR диапазонов – собственное тепловое излучение объекта. Поэтому совмещение изображений видимого диапазона с изображениями ИК диапазонов на основе поиска соответствий особых точек на практике выполняется только для видимого и ближнего ИК диапазонов. Для остальных спектральных диапазонов требуется выполнять поиск дескрипторов по контурам либо применять методы диффузной морфологии и диффузной корреляции. Однако в ряде случаев – при различной контрастности объектов сцены в различных спектральных диапазонах, на однородных текстурах – их применение не позволяет обеспечить совмещение с абсолютной погрешностью порядка единиц пикселей.

Алгоритмы комплексирования изображений относят к одной из трех групп:

 алгоритмы на основе интеллектуального анализа сцен

изображений;

 интегральные алгоритмы комплексирования;  алгоритмы попиксельного комплексирования.

Если все сенсоры СТЗ формируют полутоновые изображения, то дополнительно повысить информативность результата комплексирования можно путём его представления в псевдоцветах

(false color) с последующим приведением к гамме естественных цветов (true color).

Результат комплексирования полутоновых разноспектральных изображений в общем случае может быть записан в виде функционала

YF(i, j) = F{TV(i, j), IR(i, j)},

где TV(i, j) и IR(i, j) – яркости пикселей ТВ и ТПВ изображений на пересечении i-й строки и j-го столбца; YF(i, j) – яркость пикселя после комплексирования.

 

, ( , ) | ( , ) |

Y i j TV i j IR i j IR IR   

| ( , ) |IR IR i j IR  

Наиболее простыми и потому вычислительно менее ёмкими алгоритмами комплексирования изображений двух спектральных диапазонов (ТВ и ТПВ) с формированием высококонтрастного полутонового результата являются:

 равновесное суммирование (алгоритм среднего

арифметического),

YF(i, j) = [TV(i, j) + IR(i, j)]/2;

 комплексирование с приоритетом ТВ канала,

где

;

 комплексирование с использованием пирамид изображений

(лапласианов и гауссианов) либо вейвлет-преобразования;

 комплексирование в частотной области с использованием

математического аппарата оптимальной дискретизации и восстановления многомерных сообщений и трёхмерного (две пространственные координаты и одна спектральная) интерполирующего фильтра нижних частот.

Контрольные вопросы

1. На чем основано обнаружение объектов в ИК диапазоне?

2. В чем заключается принцип действия электронно-опического

прибора?

3. Какой недостаток имеет первый ЭОП («стакан Холста»)?

4. Для какой цели используется электронно-оптическая система

в ЭОП?

5. Назовите ИК диапазоны. В чем заключаются преимущества и

недостатки каждого из них?

6. В чем заключается цель применения комплексирования

изображений от разноспектральных датчиков?

Библиографический список

1. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: пер. с англ. М.:

Мир, 1982. Кн.1. 312 с.

2. Визильтер Ю.В., Желтов С.Ю., Бондаренко А. В., Ососков MB., Mopжин А.В. Обработка и анализ изображений в задачах машинного зрения. М.: Физматкнига, 2010. 672 с.

3. Цифровая обработка изображений / Р. Гонсалес, Р. Вудс; пер. Л.И. Рубанова, П.А. Чочиа; под ред. П.А. Чочиа. М.: Техносфера, 2012. 1104 c. ISBN 978-5-94836-331-8. Текст: электронный // Цифровой образовательный ресурс IPR SMART: [сайт]. – URL: https://www.iprbookshop.ru/26905.html. – Режим доступа: для авторизир. пользователей.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78 / 98 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]