Способ тепловизионного распознавания формы объектов

 

Изобретение относится к области тепловизионной техники. Способ тепловизионного распознавания формы объектов включает сканирование поверхности объекта, при котором формируют два тепловизионных изображения с азимутами поляризации 45 и 90°, а форму объекта определяют по углу Ψ - значение угла наклона нормали элемента на поверхности объекта по отношению к направлению наблюдателя и координате Y. При этом угол определяется из значения видеосигнала тепловизионного кадра для соответствующего ему элемента. Способ позволяет учитывать эллиптичность поляризации теплового излучения при распознавании формы объекта внутри контура. 1 ил.

Изобретение относится к области тепловизионной техники и может использовано в оптических и оптико-электронных системах обработки информации и распознавания.

Известен способ тепловизионного распознавания формы объекта /1/ с помощью тепловизионного устройства, заключающийся в сканировании поверхности объекта, приеме и обработке его собственного излучения и построении тепловизионного изображения объекта, которое определяется различиями в температуре и излучательной способности его элементов и фона.

Указанный способ имеет недостаток: распределение яркости теплового изображения зависит как от распределения температуры по поверхности, так и от коэффициента излучения и ориентации наблюдаемых элементов поверхности. Вследствие этого, форму объекта внутри контура однозначно определить невозможно.

Известен способ распознавания формы /2/, заключающийся в сканировании поверхности объекта по строке и кадру, причем поляризуют оптический тепловизионный сигнал, преобразуют полученный поляризационный тепловизионный сигнал в электрический с последующим запоминанием и формируют 4 поляризационных тепловизионных изображения с азимутами поляризации 0, 45, 90 и 135^o соответственно для определения формы объекта внутри контура по формулам, основанным на значениях полученных видиосигналов каждого элемента разложения кадра.

Также известен способ распознавания формы /3/, выбранный в качестве прототипа, который отличается от предыдущего тем, что формируют 3 поляризационные термограммы, каждый элемент которых построен со сдвигом азимута поляризации на угол в 60^o, а форма объекта внутри контура определяется по формулам, сформулированным на значениях видеосигналов этих трех термограмм.

Недостатком этих обоих способов является тот факт, что они не учитывают эллиптичность поляризации теплового излучения реальных объектов, что ограничивает их практическое применение только для объектов с частично тепловым линейно-поляризованным излучением.

Задачей предполагаемого изобретения является учет степени эллиптичности поляризации теплового излучения при распознавании формы объекта внутри его контура.

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе тепловизионного распознавания формы объектов, заключающемся в сканировании поверхности объекта, преобразовании поляризационного тепловизионного сигнала в электрический с последующим запоминанием и анализом сигнала и формировании поляризационного тепловизионного изображения объекта согласно изобретению формируют изображения с азимутами поляризации 45 и 90^o соответственно, при этом форму объекта внутри его контура определяют выражениями: где X, Y, Z - декартовые координаты точек на поверхности объекта; N,K - номер строки и элемента строки тепловизионного кадра; U₁, U₂ - величины видеосигналов двух поляризационных тепловизионных изображений с азимутами поляризации 45 и 90^o соответственно; a - постоянная, характеризующая материал и шероховатость объекта.

Теория учета степени эллиптичности при обработке информации с двух термограмм следующая.

Допустим, что вектор - параметр Стокса потока теплового излучения реального объекта в общем случае имеет вид: Здесь φ - энергетический поток теплового излучения объекта;
P,t,γ - соответственно степень, азимут и степень эллиптичности поляризации теплового излучения объекта.

Для термограммы с азимутом поляризатора t_n = 45^o величина видеосигнала U₁ в нормированном виде имеет вид
U₁= 1+P sin 2t cos 2γ (4)
Аналогично, для термограммы с азимутом поляризатора t_n = 90^o, величина видеосигнала U₂ представляется в виде
U₂= 1-P cos 2t cos 2γ (5)
При анализе термограмм сигнала U₁ и U₂ регистрируются и являются известными величинами.

Для дальнейших рассуждений воспользуемся выражениями
P = (ε_max-ε_min)/(ε_max+ε_min), (6)
tgγ = ε_min/ε_max, (7)
где ε_max,ε_min - максимальная и минимальная поляризованные составляющие излучения объекта.

Тогда, с учетом (6) и (7), решение системы уравнений (4) и (5) относительно P, получим в виде

В работе /2/ нами показано, что справедливо выражение
P = a(1-cosΨ), (9)
где Ψ - угол ориентации нормали локальных элементов поверхности объекта по отношению к направлению наблюдения.

Подставив выражение (8) в (9), получим следующую формулу для определения угла Ψ :

И, наконец, подставив выражение (10) в следующие формулы:


получим соотношения (1) и (2), по которым обрабатывается информация для определения формы объектов внутри контура.

Таким образом, поставленная задача для заявляемого способа выполняется за счет нового признака: формирования двух поляризационных теиловизионных изображений с азимутами поляризации 45 и 90^o.

На чертеже представлено устройство для реализации предлагаемого способа тепловизионного распознавания формы объектов, где приведены следующие обозначения:
1 - защитное окно; 1 - сферическое зеркало со слепым пятном;
3 - плоское качающееся зеркало; 4 - вращающаяся призма;
5 - диафрагма; 6 - окуляр телескопической системы;
7 - плоское зеркало; 8 - линейный ИК поляризатор;
9 - конденсор; 10 - ИК приемник излучения; 11 - запоминающее устройство (ЗУ); 12 - блок обработки информации (БОИ);
13 - видеоконтрольное устройство (ВКУ).

ИК поляризатор 8 устанавливается в схеме с возможностью вращения вокруг оптической оси и фиксации его азимута поляризации t_n под углами 0, 45 и 90^o относительно плоскости референции.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом:
собственное тепловое излучение от наблюдаемого объекта проходит защитное окно 1 и отражается от зеркала 2; далее качающееся плоское зеркало 3 осуществляет оптико-механическое сканирование поверхности объекта по кадру, а вращающаяся, призма 4 - сканирование по строке. ИК излучение от объекта потом проходит диафрагму 5, окуляр 6, отражается от зеркала 7 и направляется на ИК поляризатор 8, конденсор 9 и попадает на приемник излучения 10. Если азимут t_n поляризатора 8 равен t_n = 45^o, то на выходе приемника 10 в течение кадра формируется N х К сигналов U₁ (N,K). При азимуте поляризатора t_n = 90^o аналогично формируется сигнал U₂ (N,K) от всех N х К элементов разложения тепловизионного кадра. В запоминающем устройстве 11 все эти 2 кадра, а в блоке обработки информации 12 вся информация обрабатывается по выражениям (1) и (2) и непосредственно форма поверхности объекта внутри его контура для произвольной линии сканирования выводится на экран ВКУ 13.

Предлагаемый способ может быть использован для дистанционного распознавания формы искусственных и биологических объектов, а также естественных образований, для неразрушающего контроля качества изготовления деталей и сборочных единиц.

Источники информации
1. Криксунов Л.3., Падалко Г.А., Тепловизоры. Киев: "Техника", 1987, с. 30 - аналог.

2. А.С. N 1667273, МКИ H 04 N 5/33 "Способ тепловизионного распознавания формы объекта", Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Ананич М.И., Голубев П.Г., Смагин С.Г. 1991 г., Бюл. N 28 - аналог.

3. Патент РФ N 2024212, МКИ H 04 N 5/33 "Способ распознавания формы объектов", Гринев А. Б., Куроптева Т.Е., Тымкул В.М., 1994 г., Бюл. N 22 - прототип.

Формула изобретения

Способ тепловизионного распознавания формы объектов, заключающийся в сканировании поверхности объекта, поляризации собственного теплового излучения объекта, преобразовании поляризационного тепловизионного сигнала в электрический с последующим запоминанием и анализом электрического сигнала, формировании поляризационного тепловизионного изображения объекта и определении формы объекта, отличающийся тем, что формируют два тепловизионных изображения с азимутами поляризации 45 и 90^o, соответственно, при этом форму объекта внутри его контура определяют выражениями


где Х, У, Z - декартовые координаты точек на поверхности объекта;
N, К - номер строки и элемента строки тепловизионного кадра;
U₁, U₂ - величины видеосигналов двух поляризационных тепловизионных изображений с азимутами поляризации 45 и 90^o соответственно;
а - постоянная, характеризующая материал и шероховатость объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1