LV14207B - Metode un ierīce multispektrālu attēlu iegūšanai ar digitālo RGB sensoru - Google Patents

Description

Izgudrojuma apraksts

Tehnikas joma

Izgudrojums attiecas uz digitālo krāsu attēlu apstrādes metodiku, konkrēti - uz vairāk kā triju atšķirīgām spektra joslām atbilstošu attēlu selekciju no viena RGB attēla datu masīva.

Zināmais tehnikas līmenis

Multispektrālu attēlu kopu analīze ļauj identificēt attēlos objektu zonas ar dažādām spektrālās absorbcijas vai emisijas īpatnībām, kas ir noderīgi mākslas darbu ekspertīzei, Zemes virsmas kontrolei no satelītiem, ādas klīniskajai diagnostikai u.c. multispektrālu attēlu iegūšanai bieži izmanto digitālos sensorus - divdimensiju fotomatricas komplektā ar dažādos spektra apgabalos caurlaidīgiem filtriem, piemēram, rotējošu disku ar dažādu krāsu filtru komplektu /E.C. Ruvolo et al., Proc. SPIE, Vol. 7548, 75480A, 2010/ un ar elektriskiem signāliem spektrāli skanējamus akustooptiskos vai šķidro kristālu filtrus /http://www.usgs.gov/science/science.php?term=765/.

Digitālajos RGB sensoros ir iebūvēti triju krāsu (zilas, zaļas un sarkanas) spektrālie filtri, kas tiek izmantoti multispektrālai attēlošanai dažādās kombinācijās ar ārējiem spektrāliem filtriem /US 7612822 B2; US 2009290124 (Al); JP 2008136251 (A)/. Cits veids, kā iegūt multispektrālus attēlus, ir vairāku dažādās spektra joslās emitējošu gaismas avotu, piemēram, dažādu krāsu LED /WO 2008093988 (Al)/ izmantošana secīgai objekta apgaismošanai, katrā apgaismojuma spektra joslā uzņemot savu attēlu.

Minētās metodes ir praktiski izmantojamas, bet to trūkums ir nepieciešamība uzņemt vairākus secīgus viena un tā paša objekta attēlus dažādās spektra joslās. Pirmkārt, tas ir laikietilpīgs process. Otrkārt, uzņemšanas laikā objekta īpašības var mainīties, piemēram, tas var izkustēties, un tādā gadījumā vai nu jāsamierinās ar kļūdainiem rezultātiem, vai apstrādes algoritmā jāietver papildus procedūras attēlu stabilizācijai, kas aizkavē operatīvu informācijas iegūšanu. Treškārt, tiek uzkrāts liels daudzums nevajadzīgas informācijas par attēlu detaļām. Ceturtkārt, šādas aparatūras konstrukcijas ir sarežģītas un dārgas, jo papildus RGB sensoram ar objektīvu tās ietver ārējās filtrēšanas ierīces vai spektrāli atšķirīgu apgaismošanas avotu komplektus.

Šādi trūkumi nepiemīt viena RGB attēla multispektrālās analīzes metodikai. Ar digitālo RGB sensoru, piemēram, CCD vai CMOS Zhttp.7/broadcastengineering.com/hdtv/ccd-cmos// uzņemtie attēli tiek reproducēti krāsu formātā, katrā attēla punktā jeb pikselī vispirms nosakot sarkanajā (R), zaļajā (G) un zilajā (B) spektra joslā reģistrēto signālu skaitliskās vērtības Ri, Gjun Bj, kur indekss i norāda uz pikseļa numuru, un pēc tam piešķirot šim pikselim attiecīgajai RjGiBj kombinācijai atbilstošo krāsu. Atsevišķo R-, G- un B-kanālu spektrālo jutību nosaka triju veidu filtrējošo pārklājumu un pašas matricas fotodetektoru materiāla (piemēram, silīcija) absorbcijas īpašības. Sērijveidā ražotiem RGB seņsoriem triju joslu spektrālās jūtības līknes ir atrodamas produkta specifikācijā; tās ari ir eksperimentāli izmērāmas. Tādējādi no viena RGB krāsu attēla datu masīva ir iespējams papildus izdalīt tris spektrāli selektīvus apakšattēlus R-, G- un B-joslās (atbilstoši no objekta izstarotajai vai atstarotajai gaismai spektra sarkanajā, zaļajā un zilajā daļā) un veikt multispektrālo analīzi, šos apakšattēlus dalot, atņemot vienu no otra vai tml. /D. Kapsokalyvas et al., Proc. SPIE, Vol. 7548, 754808, 2010/. Fiksējot noteiktu sensora izejas signālu diskriminācijas līmeni, virs kura jebkuram viļņu garumam sensora spektrālās jūtības diapazonā atbilst tikai divas vai viena no R, G, B vērtībām, ir iespējams ar loģiskas analīzes palīdzību RGB datu masīvā izdalīt vēl sešus šaurākus spektra intervālus /J. Spīgulis et al., Proc. SP1E, Vol. 7557, 75570M, 2010/. Šis informācijas avots ir tuvākais tehniskais risinājums piedāvātajam izgudrojumam.

Izgudrojuma mērķis ir paaugstināt multispektrālās attēlošanas efektivitāti, palielinot no viena RGB krāsu attēla datu masīva iegūstamo, dažādām spektra joslām atbilstošu attēlu skaitu.

Izgudrojuma detalizēts izklāsts

Lai sasniegtu mērķi, tiek piedāvāta jauna digitālo RGB sensoru izejas datu apstrādes metode un ierīce, kas to realizē. Metode no tuvākā zināmā tehniskā risinājuma atšķiras ar to, ka:

(i) RGB izejas signālu diskriminācijas līmenis ir nevis fiksēts, bet mainīgs. Tas dod iespēju papildus sešiem zināmajiem spektra intervāliem (neskaitot R, G un B joslas) izdalīt vēl jaunus intervālus, tādējādi palielinot no viena krāsu attēla datiem iegūstamo multispektrālo attēlu skaitu;

(ii) Spektrālajai selekcijai papildus izmanto sensora divu spektrālās jutības līkņu krustpunktus (B-G, G-R vai B-R) pie fiksētiem viļņu garumiem. Šo krustpunktu apkārtnē izdala jaunus spektra intervālus, kuri atbilst nosacījumiem ļBi-Giļ<a (1) un/vai jGi-RjJ <b, (2) un/vai |B_i-R_i|<c, (3), kur a, b un c ir kontrolēti maināmi fiksēti skaitļi.

īss zīmējumu apraksts

Fig 1 ir parādītas tipiskas RGB sensora R, G un B kanālu relatīvās spektrālās jutības līknes un ir ilustrēts veids, kā maināms signālu diskriminācijas līmenis S ir izmantojams papildu multispektrālu attēlu selekcijai.

Fig. 2 ir parādīts, kā R, G un B kanālu relatīvo spektrālās jutības līkņu krustpunkti ir izmantojami papildus multispektrālu attēlu selekcijai.

Fig. 3 ir parādīta piedāvātās ierīces multispektrālu attēlu iegūšanai blokshēma............

Metodes (i) būtība ir ilustrēta Fig.1. Tiek izmantotas ražotāja sniegtās vai eksperimentāli izmērītās sensora R, G un B kanālu relatīvās spektrālās jutības līknes, kuru amplitūdas normētas tādējādi, ka visaugstākā reģistrētā signāla vērtība nepārsniedz maksimālo kanāla izejas signālu, piemēram, 8-bitu sistēmā skaitli 255. Objektīva diafragmu vai objekta apgaismojumu ieregulē tā, lai sensors strādātu lineārā režīmā, ti., lai skaitliskās Rj, Gj un Bi signālu vērtības (piemēram, diapazonā no 0 līdz 255) būtu proporcionālas uztveramā optiskā signāla intensitātei. Tad uzņem objekta vienu digitālo krāsu attēlu, kura datu masīvā atrodamas katra pikseļa Rj, Gi un B; signālu vērtības. Šīs signālu vērtības salīdzina ar maināmā diskriminācijas līmeņa Sd vērtību un tālākajā analīzē izmanto tikai tās, kuras pārsniedz Sj-līmeni.

Atkarībā no Sj vērtības, ir iespējamas šādas situācijas: a) i-pikselī ir reģistrēti signāli vienlaikus divās krāsu joslās;

b) i-pikselī signāli ir reģistrēti tikai vienā krāsu joslā, t.i., tikai R, G vai B kanālā. Situācija (a) liecina par to, ka i-pikselī uztvertā starojuma spektrālais diapazons iekļaujas divu krāsu joslu spektrālās jutības līkņu pārklāšanās zonā. Tas ilustrēts Fig.1. Piemēram, Bj un Gj vērtību vienlaicīga reģistrācija pie zemākā diskriminācijas līmeņa So nozīmē, ka uz šo pikseli krītošā starojuma spektrālais diapazons ir starp λ₆ un λ^ (punktiem 6 un 14 attiecīgi atbilstošie viļņu garumi). Atkarībā no tā, kura vērtība (Bj vai Gj) ir lielāka, var precizēt šaurākus uztvertā spektra diapazonus - vai nu λ(,... λιο, ja Bj>Gj, vai λιο - λΐ4, ja Bj<Gj. Savukārt pie augstāka diskriminācijas līmeņa S2 vienlaicīga Bj un Gj vērtību reģistrācija dod iespēju konstatēt, ka uz i-to pikseli krītošā starojuma spektrālais diapazons ir sašaurināts (starp kg un λΐ2), resp., vai nu λ₉ ... λιο, ja Bj>Gj, vai λιο ··· λη, ja Bj<Gj. Līdzīgā kārtā vienlaicīga Rj un G; vērtību reģistrācija pie Si liecina par uztverto spektra diapazonu λιγ... λΐ8, ja Ri<Gj, vai λι§... λι₉, ja Rj>Gj, un tml.

Situācija (b) savukārt norāda uz kādu no divām citām iespējām. Pirmkārt, reģistrētais spektra intervāls var atbilst kādam no B, G vai R līkņu „virsotņu” apgabaliem apgabalam λ₄ ... λιο (B-kanālam pie S3), apgabalam λιο — λιβ (G-kanālam pie S3) vai apgabalam λ^ ... λιι (R-kanālam pie S2). Paaugstinot diskriminācijas līmeni, reģistrētais spektra diapazons sašaurinās - piemēram, pie līmeņa S4 B-kariālā ir iespējams reģistrēt starojumu tikai spektra joslā λ5... Έ, bet G-kanālā - tikai joslā λπ ... λΐ5. Diskriminācijas līmenim sasniedzot B-, G- vai R-joslas virsotni, signāla parādīšanās attiecīgajā joslā liecina par monohromatiska starojuma (ar joslas maksimumam atbilstošu viļņu garumu) detektēšanu attiecīgajā pikselī. Otrkārt, signāla reģistrācija tikai vienā no krāsu joslām pie zemākiem diskriminācijas līmeņiem ļauj secināt, ka pikselī reģistrētais spektra intervāls neatrodas divu joslu pārklāšanās zonā. Piemēram, pie diskriminācijas līmeņa Si tikai Bjoslā detektētam signālam atbilst spektra intervāls λ₂ ... λ», tikai G-joslā detektētam signālam atbilst spektra intervāls λη ... λπ un tikai R-joslā detektētam signālam - spektra intervāls λ₁₉... λ₂2· /

Līdz ar to piedāvātais risinājums nodrošina, ka RGB izejas signālu diskriminācijas līmenis S ir nevis fiksēts, bet ir mainīgs, un tas paver plašas iespējas dažādu spektra intervālu selekcijai multispektrālās attēlošanas vajadzībām.

Metodes (ii) būtība ir ilustrēta Fig.2. RGB spektrālās jutības līkņu trim iespējamiem krustpunktiem ir fiksētas viļņu garumu vērtības. Ja starp RGB attēla pikseļiem atrodas tādi, kuriem Gj= Bi, Rj = Gj vai Ri = B_b tad jāsecina, ka šajos pikseļos ir reģistrēts monohromatisks starojums ar atbilstošā krustpunkta viļņu garumu. Savukārt ap šiem trim fiksētajiem viļņu garumiem tiek piedāvāts izveidot jaunus spektra intervālus multispektrālai attēlošanai, uzliekot ierobežojumus absolūtajai vērtībai no starpības starp krustojošajās joslās reģistrēto signālu vērtībām:

j Bj- Gi ļ < « un/vai J Gj- Rj J < b, un/vai | Bj - Rj ļ < c.

Atbilstoši šiem nosacījumiem B-G krustpunkta apkārtnē izdala spektra joslu %a... λ^ G-R krustpunkta apkārtnē izdala spektra joslu λβ... Af un B-R krustpunkta apkārtnē - spektra joslu Xc ... λ_ά. Izmainot a, b un c vērtības, attiecīgi ir maināmi ari multispektrālai attēlošanai izdalīto reģistrējamo spektra joslu platumi.

lence vienās Vai abu augšminēto metožu realizācijai ir ilustrēta Fig. 3. Tā sastāv no:

- multispektrāla gaismas avota (1), piemēram, vairāku dažādās spektra joslās izstarojošu gaismas diožu un/vai lāzerdiožu komplekta, ar kuru tiek apstarots attēlojamais objekts (2), piemēram, ādas virsma;

- ar objektīvu aprīkota digitālā RGB sensora (3), kurš pārvērš objekta attēlu digitālā formātā, katram pikselim piešķirot noteiktu R-, G- un B-vērtību komplektu, un pilnu RGB datu masīvu saglabā atmiņas ierīcē (4);

- pārveidotāja (5), kurš šī masīva datus pārvērš spektrālo intensitāšu kopā atbilstoši izvēlētajam signālu diskriminācijas līmenim, ko uzdod diskriminators (6);

- attēlu selektora (7), kurš ar piemērotas programmas palīdzību veic multispektrālo analīzi, izdalot katram izvēlētajam spektra intervālam atbilstošus attēlus no sākotnējā RGB datu masīva;

- izvadierīces (8), piemēram, datora monitora, uz ko tiek izvadīta iegūtā multispektrālo attēlu kopa.

Tālāka multispektrālo attēlu apstrāde ir iespējama ar jau zināmajām metodēm.

Claims (5)

1. Pretenzijas

   1. Metode multispektrālu attēlu iegūšanai ar digitālo RGB sensoru no vienkrāsas attēla datu masīva, objektu apgaismojot vienlaikus vairākās spektra joslās, identificējot katrā attēla pikselī „i” reģistrētās Rj-, Gi- un Bj-signālu vērtības un tālāk tās salīdzinot gan savā starpā, gan ar ārēji uzdotu signālu diskriminācijas līmeni S, kurš pie jebkura viļņu garuma sensora spektrālās jutības apgabalā pieļauj tikai vienas vai divu R, G un/vai B joslu reģistrāciju, kas atšķiras ar to, ka, ar mērķi palielināt multispektrālo attēlu skaitu, S vērtības tiek nepārtraukti mainītas līdz visaugstākajai no iespējamām R, G vai B joslu signālu vērtībām pie nosacījuma, ka šajā intervālā tiek nodrošināta sensora fotojūtības linearitāte un atkarībā no S vērtības tiek analizētas divas situācijas - kad i-pikselī ir reģistrēti signāli vienlaikus divās krāsu joslās (B un G, G un R vai B un R) vai kad tie ir reģistrēti tikai vienā krāsu joslā, un analīzes rezultātā tiek identificēts(-i) spektra diapazons(-i), kurā(-os) iekļaujas attiecīgajā pikselī reģistrētais starojums.
2. 2. Metode multispektrālu attēlu iegūšanai saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka spektrālajai selekcijai papildus izmanto sensora divu spektrālās jutības līkņu krustpunktus (B-G, G-R vai B-R) pie fiksētiem viļņu garumiem un/vai izdala jaunus spektra intervālus šo krustpunktu apkārtnē, izmantojot nosacījumus:

   ļ Bj - Gi ļ < a, | Gj - Rj ļ < b un/vai J Bi - Rj J < c, kur a, b un c ir kontrolēti maināmi fiksēti skaitļi.
3. 3. Metode multispektrālu attēlu iegūšanai saskaņā ar 1. vai 2. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka katrā vai vairākos no identificētajiem spektra intervāliem vai fiksētajiem viļņu garumiem tiek veidots viens šaurjoslas spektra attēls no pikseļiem, kuros konstatēta atbilstība šim spektra intervālam vai fiksētajam viļņu garumam.
4. 4. Metode multispektrālu attēlu iegūšanai saskaņā ar 3. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka šaurjoslas spektra attēli identificētajos spektra intervālos tiek savstarpēji salīdzināti, dalīti, atņemti un/vai citādi savstarpēji manipulēti.
5. 5. Ierīce multispektrālu attēlu iegūšanai saskaņā ar metodi, kas definēta jebkura no 1. lidz 4. pretenzijai, kura satur multispektrālu gaismas avotu, ar objektīvu aprīkotu digitālo RGB sensoru, RGB datu masīva atmiņas ierīci, pārveidotāju, kurš RGB datus pārvērš spektrālo intensitāšu kopā atbilstoši izvēlētajam signālu diskriminācijas līmenim, attēlu selektoru, kurš izdala katram izvēlētajam spektra intervālam atbilstošus attēlus, un izvadierici, piemēram, datora monitoru.