Оптико-математическая модель поляризационных тепловизионных изображений объектов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

АНАНИЧ МАРИНА ИВАНОВНА

г <~

(То

ОД

2 2 АПР 1398

УДК 535.61:631.7015.2

ОПТИКО - МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЛОЛЯРИЗАРОННЫХ ТЕПЛОВИЗШШЫХ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ

01.04.05 "Оптика"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК 1Э96

Работа выполнена в Сибирской государственной геодезической академии (СГГА)

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Тымкул В.М.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук Потатуркин О.И.

Доктор технических наук,

профессор Торопов А.К.

Ведущая организация Институт теплофизики СО РАН

Защита состоится "J^" 1996 г. в ^ часов

на заседании диссертационного совета К 064.14.02 Сибирской государственной геодезической академии по адресу:

630108, Новосибирск. 108. ул. Плахотного, 10, СГГА. аудитория 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Автореферат разослан "&& 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Верхотуров 0.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В современном мире, тепловизионные системы широко применяются в различных областях науки и техники, причем обработка информации в них может проводиться как с целью определения или идентификации температурных полей, так и с целью распознавания-формы объектов. Классические тепловизионные системы обеспечивают получение тепловых изображений наблюдаемых тел. которые интерпретируют неоднозначное решение о распределении температуры и коэффициентов излучения по их поверхности.

В общем случае неизвлеченной информацией является форма объектов внутри контура и поле истинных температур по их поверхности. Одной из нерешенных проблем тепловидения является распознавание формы объектов внутри контура их тепловизионных изображений. Исследования в этом направлении проводятся, но обобщенное описание каких-либо универсальных методов и алгоритмов в литературе отсутствует.

Кроме того, специфика формирования тепловизионного кадра, заключается в одновременной зависимости от распределения температуры по поверхности объекта, коэффициента излучения и ориентации визируемых элементов его поверхности (формы), что затрудняет однозначное распознавание формы объекта внутри контура по его тепловизионному изображению. Поэтому необходимы получение, анализ и обработка дополнительной информации, получаемой тепловизионной системой.

Целью данной_работы является разработка

оптико-математической модели поляризационных тепловизионных изображений (ПТИ) объектов, обладающих дополнительной информативностью и способов распознавания формы объектов внутри контура на основе их поляризационных тепловизионных изображений.

Для достижения поставленной цели применен метод математического моделирования поляризационных термограмм на основе теории, учитывающей оптико-физпчэские процессы в формировании изображений.

Научная новизна

1. Проанализирована и использована связь формы поверхности объекта со степенью поляризации его теплового излучения через

нормаль для каждого элемента поверхности объекта и направление наблюдения.

2. Разработаны оптико-математические модели поляризационных тепловизионных изображений на основе вектор-параметра Стокса излучения объекта и разложения коэффициентов излучения элементов поверхности объекта на параллельную и перпендикулярную составлявшие ; на основе степени и азимута поляризации теплового излучения объектов ;с учётом влияния на излучение от объекта * поляризационного фильтра. играющего роль анализатора

поляризационных свойств собственного излучения объектов. ? 3. Разработаны оптико-математические модели ПТИ с учетом

эллиптичности теплового излучения объектов, дальности их наблюдения, влияния на изображение свертки функции рассеяния точки (ФРТ) оптической системы и яркости теплового излучения элементов объекта на поверхности чувствительного элемента приемника излучения и передаточных характеристик оптической системы и электронных звеньев тепловизора.

4. Разработаны тепловизионные способы распознавания формы объектов внутри контура его изображения на основе 4-х ПТИ, полученных тепловизионной системой с поляризационной насадкой при азимутах 0°.45°.90° и 135° соответственно, и на основе 2-х ПТИ с азимутами 0° и 45°.

5. Проведен анализ влияния оптических свойств материалов объектов на их поляризационные тепловизионные изображения.

6. На основе разработанной теории и алгоритмов получены модели поляризационных термограмм объектов простой формы в виде эллипсоидов и конусов разных коэффициентов сжатия.

Практическая ценность работы . На основе разработанных оптико-математических моделей поляризационных термограмм объектов можно формировать модели объектоз сложной формы для их распознавания.

Защищаемые положения

1. Оптико-математические модели поляризационных тепловизионных изображений объектов, обладающие дополнительной информативностью по сравнению с простым тепловизионным изображением.

2. Оптико-;;атематические модели поляризационных тепловизионных изображений объектов. учитывающие эллиптичность

теплового излучения элементов объекта, дальность наблюдения и влияние на изображение передаточных характеристик составных звеньев тепловизора и оптических свойств материала объекта.

3. Способы тепловизионного распознавания формы объектов на основе 4-х термограмм .полученных тепловизионной системой с поляризационной насадкой при азимутах поляризации 0°.45°,90° и 135° и на основе 2-х термограмм с азимутами поляризации 0° и 45°, позволяющие распознать форму объектов внутри их контура.

4. Алгоритмы и ' результаты моделирования поляризационных тепловизионных изображений объектов простой формы, демонстрирующие преимущества поляризационных тепловизионных изображений и способов распознавания формы объектов.

Работа по теме диссертации велась в рамках плановых х/д (И Х58835) И Г/б (И 0193.0001344) НИР , В ТОМ числе ГРАНТ (И 0193.007730)

Апробация работы . Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзных конференциях в г.Барнауле. 1989г., ("Координатно-чувствительные фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе"), в г.Томске, 1989г., ("Оптико-электронные измерительные приборы и системы"), в г.Барнауле, 1991 г., ("ККАПП-91"), в г.Ташкенте.

1992г.. ("Перспективные информационные технологии в анализе изображений и распознавании образов"), и на Международных конференциях в г.Курске. 1993 г..("Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработке изображений и символьной информации"), в г.Барнауле. 1994г.,("ИКАПП-94") и в г.Новосибирске. 1995 г..("Авангардные технологии. оборудование. инструмент и компьютеризация производства оптико-электронных приборов в машиностроении").

По теме диссертации опубликованы 11 научных работ, в том числе 2 статьи, 1 авторское свидетельство, 7 тезисов докладов на Всесоюзных и Международных конференциях и 1 учебное пособие.

Объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы , заключение,список использованных источников и приложений. Материалы диссертации изложены на 160 страницах, содержит 24 рисунка, 12 приложений на 60 страницах, 1 таблица и список используемых источников из 45 наименований.

- 6 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение. Во введении определены две нерешённые проблемы тепловидения, необходимость решения одной из них определяет актуальность темы диссертации.Сформулирована цель диссертационной работы и методы для ее достижения.

Первая глава посвящена аналитическому обзору возможных направлений развития распознавания образов, сюда вошли также формирование видеосигнала, моделирование простых тепловизионных изображений, анализ поляризационных свойств собственного теплового излучения объектов.

В результате приведена модель простого тепловизионного изображения.в которой амплитуда сигнала каждого элемента кадра, соответствующего элементарной площадке йБ объекта, наблюдаемого тепловизионной системой из точки Н под углом Ф (см.рис.1) описывается формулой:

Ъ

и(К.и= (1/л) 0x33(11, и соз^Ш, 1)£ (т^/ЭХМ0 Т)т0 (Х)та (Х)с1Х, (1)

где та,т0- коэффициенты пропускания атмосферы и оптики соответственно, е(1|>)- коэффициент излучения площадки дБ, БХ - абсолютная спектральная чувствительность приемника, Х^Х;,- диапазон чувствительности приемника излучения тепловизионной системы, V/0 (X, Т)- светимость абсолютно черного тела (АЧТ) с температурой Т, м - передний апертурный угол оптической системы, N. Ь- номера элементов разложения тепловизионного кадра по элементам в строке и строкам соответственно. Рассмотрена также схема формирования тепловизионного кадра, на основе которой прослеживается потеря информации в простой тепловизионной модели за счет уравнивания проекций больших по площади площадок 63 с большим углом наклона ц> ( но малым значением соз(\р)) и малых по площади площадок йБ с малым ^ (но с большим значением соз (-ф)). Следовательно, необходимо при моделировании использовать относительную величину, исключающую пропорциональную зависимость амплитуды сигнала и(К,Ь) от площади ей и угла У.

Экспериментально получены простые тепловизионные изображения сферы (см.рис.2а) и конуса (см.рис. За). подтверждающие невозможность однозначного распознавания формы объекта на их основе, и поляризационные тепловизионные изображения (при азимуте поляризации 0°) для сферы (см.рис.26) и конуса (см. рис.36),демонстрирующие наличие дополнительной информации каждого элемента кадра за счет анализа поляризационных свойств собственного излучения элементов объекта.

Анализ поляризационных свойств теплового излучения объектов (степень,азимут и эллиптичность) показал, что они могут быть использованы при моделировании поляризационных тепловизионных изображений объектов.так как имеют связь с формой объекта, аппроксимированную на основе анализа литературы и проведённых экспериментов формулой:

Р{Ц|) = (1~соз(-.||))а, (2)

где а - константа, характеризующая свойства материала, физически зависищая от оптических постоянных материала и шероховатости поверхности, значение которой определяется следующим образом:

а - Р»а*ехр((-^5гсо8г%)Аг), (3)

где Ргпах - максимум степени поляризации собственного излучения идеальной полированной поверхности, который рассчитывается по формулам Френеля;

Б - среднеквадратичная высота шероховатости поверхности материала;

I - длина волны излучения;

\|1„ - угол наклона площадки (Зй, при котором степень поляризации собственного излучения поверхности материала имеет максимальное значение. В главе 2 изложена теория оптико-математического моделирования поляризационных тепловизионных изображений объектов.

Первая модель на основе вектор-параметра Стокеа и разложения коэффициента излучения £ (1}0 на параллельную и перпендикулярную состапл'1'зщие формируется на основе следующей формулы:

ио(1Ш+и90(1Ш иш,ю = ио(ЯЛ)-и90(К.Ь) (4)

и.15 (И. и35 (ИЛ)

о

где 1=1.2,3.4:

и0,и45,иаэ и и13Ь -величины сигналов (или потоков излучения), поляризованные соответственно под углами 0°,45°.90° и 135° относительно плоскости референции (плоскости отсчета), которые с учётом разложения ена параллельную и перпендикулярную составляйте можно записать в виде:

и0 (И. и=А(Н, Ю [с,, ('¡|)) (п*3")г +1, (1?) (Г,*3)2 ].

(5)

(6)

и90 Ш,Ь)=А(1!.и [Е„ (т|)) (П*к)г »-ЕЛ1|))(£1*к)г .],

где А(II, ьЫ1/тОмссз41Ш.ис18(Н,Ь);5ХГ (Х.Т)т0 (Х)та (Х)с1Х,

7.к - орты нормалей декартовой системы координат. Степень поляризации теплового изображения зависит от величины видеосигналов поляризационных составляющих теплсвизионных изображений элементов поверхности объекта с азимутом, поляризации соответственно равными 0°. 45°, 90° и 135°.

Р' (Л. Ь)-Ш0 см. и-иэ0 (К. Ь)]/Ш0 (И. Ь)+и90 (И, Ь) ]. (7)

где Р'(М,и- степень поляризации изображений с азимутом равным 1;п=0.

Принимая во внимание выражение для степени поляризации излучения элементов йБ объекта

РСЧ«> = Се« -е^ С-Ц!) 1/[е„ (8)

а также .то. что косинус угла ^ мезду нормалью к элементу 63 и единичным вектором наблюдения гн определяется как скалярное произведение этих векторов,а Г* - как их векторное произведение, то получим:

1+[1-(п*Г|,))а

1-[ 1 - (п*гн ; ]а [ (п*3")2 - СП*К)2 ] + Г (ГА *Т)£-(^*к)г1 Р'(К.Ь) - ----. (9)

1+П-(п«гн)За [СЯ*3")2-(п*Юг3 + [(е! *5")г + (Г, *Ю2]

1 — [ 1 — С п * г^.

Вектор нормали ¡Т определяется как оператор Гамильтона от

функции f(x,y.z)=0, описывающей .форму объекта

(Df/3x)T+(Sf/óy) í+(6f/3z)k

iT = ----(10)

í(3f/9x)2+(3f/3y)2+(9f/3z)2]!/г Единичны?; вектор наблюдения Гн определяется как разность вектороп 1 и R по формуле

rH = (l-R) /| (1-R) |,. ' (И)

где 1 - вектор.определяющий положение декартовой системы координат по отношению к точке наблюдения К: К - радиус-сектор элемента ds поверхности объекта,

определяющий его полстен;:* в декзртовоЛ системе координат х. у, z с единичными ортаяи 1. I, К. Радиус вектор Í задается формулой

K-xTtyJ+2.4 . (12)

Таким образом, формула (9) является 1-й

оптико-математической моделью поляризационной термограммы любого объекта. полученной на основе вектор-параметра Стокса и разложения коэффициента излучения на параллельную и перпендикулярную составляю^.

Второй моделью является оптико-математическая модель поляризационных теплозизионных изображений объектов на оснсзе степени и азимута поляризации теплового излучения объектов,которая формируется на основе следующей форнулн

1

Р (II, L)co£2t(К,L) P(N.L)sln2t(IÍ,L) , (13)

О

где Р(N,L)- степень поляризации излучения элемента dSí'í, L) объекта;

t(N; L) — азимут поляризации излучения элемента dStN.L); Величины сигналов U0 и иэо вычисляются по Формулам

Uo(N, L)=Umax соз2 t+Umln sin2 t=A(N, L) (е..сое2 t+£i sin81). (14)

U90 (N.L)=Uir¡ax sin2 t+Umln eos2 t=A(lJ, L) (e. sin2 t+r.. eos21). (15) где Umax=A(N,L)e„ , ИТ11П=А (i¡. L) Ei .

С учетом (7).(8).(14),(15) а (?) прослеживается цепь

Ui (N, L) -iJ(N, L)

преобразований

Р' (В, Ь)= Р Ш. и соэ21=Р(1|1) соз21=а (1-соз (1)1)) соэги где созт|)=(п*гн), тогда

Р' (К,Ь) = С1-(п*?н)]а соэ21. (16)

Азимут поляризации теплового излучения элемента выражается через векторы.

соз1=(пу2*3'). (17)

где пу2 - проекция вектора нормали на плоскость 401.

5 - орт нормали оси У. Тогда, приняв во внимание тождество соз21=2созг выражение (16) для расчета степени поляризации всех элементов поверхности объекта примет вид

Р' (И,Ь) =а[ 1-(п*гн)] [2(пУ2*3')г -1].

(18)

Выражение (18) является 2-й оптико-математической моделью поляризационных теплозизионных изображений объектов любой форма, полученной на основе степени и азимута поляризации излучения объекта.

Третья модель на основе вектор-параметра Стокса и учёта влияния поляризационного фильтра на излучение от элементов объекта формируется следующим образом.

Вектор-параметр Стокса для яркости излучения объекта представляется в виде

ЬЗ (X, Т, Р) = Ш(Х,Т,у.2)/ж]

1

Рсоб2[

РБ1П21 (19)

О

В свою очередь влияние поляризационного фильтра на излучение от объекта описывается матрицей Мюллера

- 1 соз2б з1п2б О 1и=т„ соэгб соБг26 з1п25соз26 0 , (20)

Э1П25 з1п2бсоз26 з1п2 25 О

- О 0 0 0 где 1„- энергетический коэффициент пропускания фильтра;

6 - азимут поляризации фильтра, отсчитываемый относительно плоскости референции. Вектор-параметр Стокса для энергетической яркости излучения, прошедшего произвольный поляризационный фильтр, имеет вид:

ШХ.Т.Р) = I ти 1Л(Х,Т.Р) . (21)

Сигнал на выходе приемника излучения запишется в виде: Хг

и1=;с(х)ы(х..т.р)ах. (22)

где с(Х)=люсоз1)х13 ЗХт0 (Х)та (X).

Тогда, вектор-параметры Стокса для яркости излучения, прошедшего поляризационный фильтр при азимутах поляризации 5=0° и 6=45°, будут следующие

(0)

= [тпДО(Х, Т. у. 2)/л]

1+Рсоэ2С 1+Рсоз2Ъ

о

о ■

(45)

;Ь( = 1хпЩ\Л.у.2)/я ]

Г 1+Рз1п2Ьп

О

1+Рэ1п21 О

Как известно. первая строка вектор-параметра Стокса описывает энергетические характеристики излучения, поэтому выражение для сигналов приемника при двух положениях поляризационного фильтра можно записать в виде

Хг

и, =тп (1+Рсоэ21) [ (1/я)шсоэ/БХт,, (Х)та (Х)М(Х,Т. у, г)с1Х;

X! (23)

Х2

и2=тп (1+Рз1п21) [ (1 /7Г)ысоз(1р)йЭ]/ЗХт„ (X)та (Х)М(Х. Т. у, г)с1Х.

Нормированные амплитуды сигналов

н

^ Ц1,и=1+?(Н,Ь)соз2ЦН.и;

(24)

и2 (ы. ь) =1+Р (и. ь) эшгг сы, ь).

Выражения (24) являются 3-й оптико-математической моделью поляризационных тепловизионных изображений объектов , полученных на основе вектор-параметра Стокса яркости теплового излучения элементов объекта и влияния на него поляризационного фильтра.

Полученные три оптико-математические модели поляризационных термограмм объектов справедливы для частично

линейно-поляризованного излучения объектов. при условии наблюдения из бесконечности и фактически являются геометрическими

моделями.

В диссертационной работе приведены модификации моделей с учётом эллиптичности излучения. Вектор-параметр Стокса для эллиптично-поляризованного излучения представлен в виде

Г 1 Р(КЛ)соз2гсоз2^

исм. ь>=и° РШ.Юз1п21;соз2К , (25)

- Р(И.Ь)з1п2К ■ где к - степень эллиптичности поляризации теплового излучения После вывода, аналогичного случаю линейно-поляризованного излучения, получены выражения для нормированных видеосигналов и!11 и V изображения объектов с эллиптично-поляризованным излучением н

^ (Н.и=1+Р(М.исоз2?Ш,исоз2ЦМ.и;

(26)

и2 (И, и =1+Р(Н, и соз2*(М, из!п2Ш1, Ю.

Модифицированная модель с учётом дальности наблюдения предполагает угловую поправку на дальность

(27)

.где У- угол наклона площадки йБ при наблюдении из ближней зоны (1 * .

V - угол наклона площадки йБ при наблюдении из дальней

ЗОНЫ (1 = со) ,

а - угловая поправка,вычисляемая по формуле

а'аг^[г,./(1~х)] . (28)

где 1-дальность наблюдения,

х-координата декартовой системы. Воспроизведение формы обьектоЕ внутри контура изображения проводилось по формуле

X] +1 =Х1 +С|Х=Х1 +13г1, (29)

где угол Ч* = Г (и1, и2) и для линейно -поляризованного излучения при наблюдении из ы вычисляется по формуле

н и н

1|)=агссоз(1- (11] -1)у'асоз[агсIа:(и2-1)/{и,-1)]) ; (30)

для наблюдения из ближней зоны вычисление угла наблюдения производится с угловой поправкой по формулам (27) и (28). а для

эллиптично-поляризованного излучения в результате решения системы уравнений (26) выражение для ¥ имеет вид

•У =агссоэ

н

Л.=1.

1/а

(31)

1 (2costarctg(U2-l)/(U1-l)]-(U1 -1) )•'

Разработана оптико-математическая модель поляризационных тепловизионных изображений объектов с учетом влияния на элемент изображения свертки функции рассеяния точки оптической системы тепловизора и яркости теплового излучения объектов на поверхности чувствительного элемента приемника излучения

Е(у',г')=кт0о)// Ь(у3г0')Н0 (у*-у,'.7.'-20' )бу„ 'аг0', (32)

-см

где Н0(у'-у0',г'-20 ')- ФРТ оптической системы прибора. Л также с учетом влияния передаточных характеристик оптической системы и электронных звеньез теплонизора

со 12Я(-уу'+;12')

Е(У. г') ¡2)1:0 (v. }1)Ь„ (v, /1)^ (33)

где v. /а - пространственные частоты, приведенные к плоскости изображений,

(v. д)п., (v, д)ьэ (v. щ!1а [", д) - модуль яергдато'.ных функций оптической системы, преемник"-; излучения. ■ электронного блока и видгоконтрольного

устройства(ВКУ) соответственно.

В главе 3 приведены алгоритмы моделирования, сформированные на основе оптико-матзиатических моделей поляризационных тепловизионных изображений объектов главы 2, и описание результатов моделирования поляризационных термограмм объектов простой формы.

На основе модели ЛТН и алгоритма моделирования поляризационных термограмм был составлен программный модуль на языке Турбо Паскаль у.7.0, с помощью которой были получены модели поляризационных термограмм объектов простой формы при азимуте поляризации 0° и 45°.

Анализ полученных термограмм эллипсоидов с коэффициентами сжатия !( от 0.1 до 10 (см.рис. 4) показывает: по поверхности сферы

(К=1) равномерное распределение степени поляризации Р' от О до 1 вдоль горизонтальной линии от центра к краю и от 0 до -1 вдоль вертикальной линии от центра к краю. По мере вытягивания эллипсоида (К>1) область небольших по модулю значений степени поляризации |Р'|<0.09 снижается, при этом область значений 1>|Р'|>0.09 расширяется. При сжатии эллипсоида (К<1) наблюдается обратная картина. Так. например, диск (К=0.1) имеет следующее распределение степени поляризации: почти по всей поверхности объекта значение Р' близки к 0 и только небольшая область, близкая к краю, занята значениями |Р'| близкими к 1.

Поляризационные тепловизионные изображения конуса с коэффициентами сжатия К от 0.1 до 10 (см.рис.5) также дают возможность интерпретации его формы внутри контура. Модели изображений конуса имеют секторное распределение степени поляризации. Причем, чем более вытянутый конус, тем больше в модели изображения секторов с |Р'| близкими к 1 и наоборот .

Приведенный анализ поляризации тепловизионных изображений объектов показал, что имеется существенная зависимость формы объектов внутри их контура от значений степени поляризации Р' по наблюдаемым участкам поверхности объектов.

Модели поляризационных тепловизионных изображений объектов по видеосигналам и, соответствуют поляризационной термограмме, которая формируется при азимуте поляризатора 6=0° . а модель изображения по видеосигналам иг соответствует термограмме при 6=45° и фактически получаются сдвигом амплитуд видеосигналов на 45°.

На основе модели воспроизведения формы объектов и алгоритма был составлен программный модуль на языке Турбо Паскаль v.7.0,с помощью которого были воспроизведены формы объектов в форме конуса и эллипсоида различных коэффициентов сжатия.

Анализ погрешности методики воспроизведения показал, что погрешность воспроизведения формы поверхности объекта зависит от шага воспроизведения (<3г1 = ЙИ/Л .где 21?- размер изображения, вписанного в кадр.И - количество элементов изображения кадра вдоль линии сканирования) и изменяется от 2% при =0.1 до 8% при с1г1 = 1.

На основе модели учёта влияния на изображение свертки функции рассеяния оптической системы и яркости теплового

излучения объектов по поверхности . чувствительного элемента приемника излучения и алгоритма моделирования был составлен программный модуль на языке Турбо Паскаль v.7.0, с помощью которого были получены модели приближенные к реальным.

Результаты представлены в виде распределения энергии излучения по чувствительному элементу приёмника без учета влияния оптической системы и с учетом ФРТ. Их сравнительный анализ подтверждает наличие перераспределения энергии согласно функции, аппроксимирующей влияние ФРТ оптики,приводящее к потери энергии от 10% при ро/с=0.25 до 54% при.р0/с=1, где р0 - радиус пятна рассеивания оптической системы тепловизора, с - линейный размер приёмника излучения. Разработана методика корректировки амплитуды сигналов за счёт компенсации этих потерь.

" На основе модели учета влияния передаточных характеристик оптической системы и электронных блоков тепловизора на изображение объектов и алгоритма моделирования был составлен программный модуль на языке Турбо Паскаль v.7.0. с помощью которого были получены спектры степени поляризации объектов в форме конуса разных коэффициентов сжатия • и поляризационные термограммы сферы с учетом передаточной характеристики оптической системы тепловизора.

Анализ амплитуд всех гармоник Фурье-спектров ПТИ показал, что их абсолютные значения существенно зависят от коэффициента сжатия К всех объектов. При этом наблюдается следующая закономерность - чем больше коэффициент сжатия К. тем больше амплитуды гармоник.

Анализ моделей ПТИ сферы с учетом влияния передаточной характеристики оптической системы показал. что влияние передаточной характеристики при сравнении с моделью изображения безаберационной оптической системы выражается, прежде всего, в изменении распределения амплитуды сигналов при малых соотношениях пятна рассеяния оптической системы и линейных размеров приемника излучения и в изменении количества градаций амплитуды сигналов сторону уменьшения при больших соотношениях .Кроме того, при значительном увеличении пятна рассеяния наблюдается появление асимметрии распределение символов в модели.что обусловлено природой поляризации излучения.

Кроме того, был проведен анализ свойств материала объектов.

Анализ производился на основе феноменологической теории Френеля и приближения к реальным объектам путем сравнения теоретической модели. результатов эксперимента, выбора аппроксимирующих формул и последующего подбора коэффициента а=Н%,К,Х) для реального объекта, где - угол наблюдения, Е - среднеквадратичная высота шероховатости поверхности. X - длина волны излучения объекта.

Полученные результаты показывают, что при формировании модели ПТИ коэффициент а = Ртах соответствует максимальному значению Р(гр) теоретической модели по Френелю для идеальной поверхности объекта и рассчитывается через оптические постоянные материала. Модели реальных объектов формируются с учётом аппроксимации и при соответствующем коэффициенте а (для реальных Х,Е и известном •фм).

В главе 4 представлены разработанные способы тепловизионного распознавания формы объектов .

Способ тепловизионного распознавания формы объектов на основе 4-х ПТИ, полученных поляризационной тепловизионной системой при азимутах поляризации 0°, 45°. 90° и 135°, заключающийся в получении 4-х ПТИ и распознавании формы объекта по формулам

Х(Н, Ь) Х(11,и

ь)се^си.ь).

у=сопэ1 (34)

=У01. Ь^трШЛ),

г=сопз1

(и0 Ш, и-и90 Ш. и )/(и0 (Н, Ь)+и0 (В, Ь))

о(Н,и= агссоэ 1----- . (35)

г и45 (И, У 35 (М, Ь)-|

I асов апН£

и0ш.и-и30(н.ц

Способ тепловизионного распознавания на основе 2-х ПТИ, полученных на поляризационном тепловизионном устройстве при азимутах поляризации 0° и 45°. заключающийся в получении 2-х ПТИ и распознаванию формы объекта по формулам,в которых угол Ь) выражается через видеосигналы и0 и и45 в виде

и0 (Ы. Ь) - 1

Ь)= агссоз

а соэагс

(36)

Проведён анализ погрешности методики распознавания,на основе дифференцирования формулы (34). Результаты анализа представлены в виде сводной таблицы погрешностей и показывают, что погрешность зависит от угла Ч*. шага воспроизведения вдоль линии сканирования бгь и погрешности измерения амплитуды сигнала сШ/и и изменяется для углов У =20° - 80° от 2% до 28% ( при аи/и=0. 05. с3гс=0. 5);

Погрешность определения коэффициента, характеризующего оптические свойства материала определялась на основе дифференцирования формулы (2). зависит-от угла Ч^ и погрешности измерения амплитуды сигнала ¿и/и и изменяется для-углов Ч'=40° -80° от 5% до 1% (при би/и=0.05).

В заключении приведены основные выводы:

1. Разработаны оптико-математические модели ПТИ объектов с учетом разных видов поляризации излучения, условий наблюдения, влияния оптических и электронных звеньев тепловизора и оптических свойств материала объекта на поляризационное изображение.

Показано.что информативность поляризационного кадра К„ = NLGC, по сравнению с Кбп = 2Ь2 простого тепловизионного изображения в т\ = КСс/4 раз больше (где N,1, Сс - номера элементов в строке. строк, градаций серости ВКУ соответственно).

2. На основе разработанных алгоритмов и программы получены модели ПТИ объектов простой формы, имеющие достаточное сходство с реальными термограммами этих объектов.

Показано, что связь формы объектов со степенью поляризации теплового излучения определяет закономерность распределения яркости элементов кадра (секторное у конусов, радиальное у эллипсоидов и сферы, одинакового у диска,что соответствует закономерности изменения наклона элементарных площадок по поверхности этих объектов).

3. Установлено,что модели ПТИ объектов чувствительны к малому изменению формы поверхности объектов (модели термограмм с разницей коэффициентов сжатия на 0.1 визуально различимы ).

4. Показано, что модели ПТИ, полученные при разных азимутах поляризатора, отличаются в соответствии с закономерностью влияния поляризатора на тепловое излучение элементов объектов.

5. Разработана методика воспроизведения формы объектов на основе ПТИ, устанс:лено, что погрешность воспроизведения зависит от шага вдоль линии сканирования и составляет 2% - 8%.

6. Проведён анализ влияния качества оптической системы тепловизора на поляризационное изображение.

Установлено, что с увеличением пятна рассеивания оптической системы происходит потеря энергии от 10% (при р0/с = 0.25) до £4% (при р0/с = 1). Разработан механизм корректировки амплитуды сигнала тепловизора за счёт компенсации этой потери.

7. Разработаны способы тепловизионного распознавания на основе 4-х ПТИ с азимутами поляризации 0°,45°,90° и 135°. защищенный авторским свидетельством, и на основе 2-х ПТИ с азимутами поляризации 0° и 45°.

Установлено,что погрешность методики распознавания формы объекта зависит от шага распознавания,погрешности измерения амплитуды сигналов, угла Ч* и коэффициента, характеризующего оптические свойства материала и изменяется для углов ¥ =20° - 80° от 2% до 28% ( при сШ/и = 0.05. = 0.5).

8. Показано,что за счёт использования поляризационных свойств теплового излучения элементов объектов расширяются функциональные возможности тепловизионных систем.как систем обработки информации и распознавания формы объектов.

Список публикаций по теме диссертации:

1. Тымкул В. М., Ананич м.И. Оптико-математическая модель поляризационных тепловизионных изображений объектов. 4.1. Теория моделирования //Изв.вузов. Приборостроение,- 1993.-N1.- С. 92 - 98.

2. Тымкул В.М., Ананич М.И. Оптико-математическая модель поляризационных тепловизионных изображений объектов. ч.2. Алгоритмы и результаты моделирования// Изв.ВУЗов. Приборостроение.-1993-N3- С.53 - 55.

3. A.C. 166727 СССР. МКИ Н 04 N5/33. Способ тепловизионного распознавания формы объекта /В.М.Тымкул. Л. В.Тымкул, И.И.Ананич. П. Г. Голубев, С.Г.Смагин / СССР/. - N4738971/09; заявлено 26.06.89; Опубл. 30.07.91. Бюл. N28.

4. Тымкул В.М., Ананич М. И. Оптико-математическая модель поляризационных тепловизионных изображений объектов / Тез. докл. Всесоюз.конф."Оптико-электронные измерительные лриборы и системы", Ч. 1. - Томск, 1989.

5. Тымкул В. м.,Ананич М.И. Моделирование поляризационных тепловизионных изображений объектов // Тез. докл. конф. "Перспективные информационные технологии в анализе изображений и распознавании образов".- Ташкент, 1992 г.

6. ТьмкулВ.М.. Тымкул Л. В., Тымкул 0. В., Ананич М. И. Теория тепловизионного способа распознавания формы объектов с учетом эллиптичности поляризации их теплового излучения //Тез.докл. Междун. конф. "Авангардные технологии, оборудование, инструмент и компьютеризация производства оптико-электронных приборов в машиностроении".- Новосибирск. 1995.

7. Тымкул В.М..Ананич М.И. Анализ влияния функции рассеяния объектива на точность поляризационно-тепловизионного метода контроля формы объектов // Тез. докл. Междунар.конф. "ИКАПП-94".- Барнаул, 1994.

8. Тымкул В.М.,Ананич М.И. Спектры Фурье поляризационных тепловизионных изображений объектов //Тез. докл. Междунар. конф. "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации".- Курск, 1993.

9. ТкмкулВ.М.. Ананич М.И. Метод и устройство для анализа поляризационных тепловизионных изображений объектов // Тез. докл.Всесоюз.конф. "Координатно-чувствителыше ФПУ и системы на их основе". -Барнаул, 1989.

ЮЛымкул В.М., ТымкулЛ.В., Ананич М.И. Способ тепловизионного контроля формы тел по их поляризационным термограммам // Тез. докл.Междунар.конф."ИКАПП-94",-Барнаул. -1991.

П.Тымкул В.М., Ананич М.И. Системы тепловидения. Моделирование тепловизионных изображений: Учебное пособие / Новосибирск, СГГА. -1995.

Схема наблюдения объекта

Рис. 1

- 22 -

Термограммы объекта в форме сферы

а)простое тепловизионное изображение;

б)поляризационное тепловизионное изображение; Рис. 2 а. б

- 23 -

Темограммы объекта в форме конуса

б)поляризационное тепловизионное изображение; • Рис.3 а,б

я

о

о >

X

1 m

I ! I

i ■ jM

> »I

<

IIhv ii!

-J...

jsP!

\

«'«'•t'ü Ы А и 1 '^

Hîii:HiCHIlï::Is.:11¿ïl-îs.ï-^¿^Г:tií.: 1 í 1:íI:* *"r" ";î"

lillPÄI®;'^

s ч

<ü «

i

I

л