LV14782B

LV14782B - Paņēmiens refleksijas spektrālā vājinājuma attēlošanai pie vairākiem viļņu garumiem

Info

Publication number: LV14782B
Application number: LVP-13-177A
Authority: LV
Inventors: Jānis SPĪGULIS
Original assignee: Latvijas Universitāte
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2014-01-20
Also published as: WO2015071786A1; LV14782A

Description

Izgudrojuma apraksts

Tehnikas joma

Izgudrojums attiecas uz spektrālo attēlošanu, konkrēti - uz virsmas refleksijas spektrālā vājinājuma koeficientu sadalījuma attēlošanu pie vairākiem fiksētiem viļņu garumiem, izmantojot viena digitālā RGB attēla datus.

Zināma tehnikas līmeņa analīze

Refleksijas spektrālais vājinājums jeb spektrālā reflektance (WO 2013135311 Al, 2013) k(X) ir attiecība Ι(λ)/Ι₀(λ), kur Ι(λ) ir no objekta virsmas apgabala atstarotā intensitāte pie viena noteikta viļņu garuma λ un Ι₀(λ) ir tādos pašos apgaismojuma apstākļos pie viļņu garuma λ atstarotā intensitāte no pilnībā atstarojoša reflektora (t.s. baltās references).

Spektrālu attēlu iegūšanai bieži izmanto digitālos sensorus - divdimensiju fotomatricas - komplektā ar vairākos spektra apgabalos caurlaidīgiem filtriem, piemēram, rotējošu disku ar dažādu krāsu filtru komplektu (E.C. Ruvolo et al., Proc. SPIE, Vol. 7548, 75480A, 2010), kā arī izmanto 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 dažādās kombinācijās ar ārējiem spektrāliem filtriem nodrošina lielāku spektrālo attēlu skaitu (US 7612822 B2, US 2009290124 (Al), JP 2008136251 (A)). Cits veids, kā iegūt spektrālu attēlu komplektu, 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.

Ir zināmas metodes vairāku spektrālo attēlu izdalīšanai no viena digitālā RGB attēla datu masīva. Piemēram, katrā attēla punktā jeb pikselī nosaka sarkanajā (R), zaļajā (G) un zilajā (B) spektra joslā reģistrēto signālu skaitliskās vērtības Ri, Gi un Bi, kur i ir pikseļa numurs, un tās izmanto spektrālo attēlu veidošanai spektra sarkanajā, zaļajā un zilajā daļā un/vai veic 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 jutības diapazonā atbilst tikai divas vai viena no R, G, B signālu 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). Izmainot diskriminācijas līmeņa vērtības, būtiski paplašinās no viena digitālā RGB datu masīva izdalāmo spektrālo intervālu skaits (W0 2012/002787 Al, 2012).

Šo un citu tehnisko risinājumu realizācijai viena RGB attēla uzņemšanas brīdī var izmantot polihromātisku objekta apgaismojumu, t.i., to apgaismojot vienlaikus vairākās iespējami šaurās spektra joslās. īpašas priekšrocības ir apgaismojumam, kura spektrā ir tikai šauras spektrāllīnijas ar fiksētiem viļņu garumiem - tas dod iespēju precīzāk restaurēt spektrālos attēlus, salīdzinot, piemēram, ar mērījumiem vairāku platjoslu LED apgaismojumā. Ir demonstrēta ādas oksihemoglobīna relatīvo koncentrāciju sadalījuma kartēšanas iespēja bihromātiskā lāzeru apgaismojumā, izmantojot viena RGB attēla datus (J. Spīgulis et al., Proc. SPIE, Vol. 7557, 75570M, 2010). Metode tomēr nedod iespēju noteikt konkrētas refleksijas spektrālā vājinājuma koeficientu vērtības katrā attēla pikselī pie abiem fiksētajiem viļņu garumiem..

Tā kā RGB attēlu sensoru trīs spektrālās jutības līknes parasti daļēji pārklājas, tad neviens no krāsu kanālu signāliem adekvāti neraksturo uztvertā monohromatiskā starojuma intensitāti. Starpkanālu mijiedarbības (angliski „inter-channel crosstalkF) ietekmi pie fiksēta viļņu garuma ir iespējams koriģēt, ja RGB kanālu spektrālo jūtību līknes ir zināmas un ir nodrošināts lineārs fotouztveršanas režīms (J.Spigulis et al., Proc. SPIE, v.8216, 82160L, 2012).

Patentā LV 14532 B (2012) ir piedāvāta metode un ierīce vairāku spektrālo attēlu iegūšanai no viena RGB datu masīva atbilstoši apgaismojuma spektrāllīniju skaitam Šis risinājums ļauj noteikt k(ž) skaitliskās vērtības katrā objekta attēla punktā (pikselī) pie vairākiem fiksētiem viļņu garumiem un nodrošina parametrisku k(X) vērtību attēlošanu pie katra no izvēlētajiem viļņu garumiem ar „crosstalk efekta korekciju. Tas panākts, attēlojamā objekta zonā ievietojot pilnībā atstarojošu elementu (balto referenci), kura atstarotie signāli tiek salīdzināti ar objekta dažādu zonu atstarotajiem signāliem. Minētajam risinājumam, kurš ir izgudrojumam vistuvākais analogs, piemīt arī nepilnības:

(1) Fotouztveršanas linearitātes robežu nosaka atstarotais signāls no baltās references, kurš reālās situācijās var būt ievērojami intensīvāks par atstarotajiem signāliem no objekta virsmas (piemēram, cilvēka ādas). Tāpēc signāla/trokšņa (S/N) attiecība un nosakāmo k(Zi) vērtību, kur i ir izmantoto apgaismojuma spektrāllīniju skaits, precizitāte objekta attēla pikseļos ir salīdzinoši zema. Piemēram, ja detektors katrā pikselī izšķir 256 intensitāšu līmeņus, vidējais trokšņu līmenis ir 20 un baltās references apgabala atstarotā signāla līmenis ir 250, bet objekta virsmas atstaroto signālu līmeņi ir diapazonā 40...80, tad S/N vērtība references signāliem ir 15 (relatīvā kļūda 8%), bet objekta signāliem tikai

2.. .4 (relatīvā kļūda 25...50%), kas summā veido nosakāmo k(Li) vērtību relatīvo kļūdu

33.. .58% robežās;

(2) Starpkanālu mijiedarbības (,.crosstalk”) korekcijas pie fiksētajiem viļņu garumiem ir aprēķinātas, pieņemot ka visu apgaismojuma spektrāllīniju intensitātes ir vienādas. Izmantojot reāli pieejamos gaismas avotus, tās var arī atšķirties, tādējādi pazeminot nosakāmo k(Xi) vērtību precizitāti. Izlīdzinošo filtru izmantošana šādās situācijās ir visai sarežģīts ur arī dārgs risinājums.

Izgudrojuma mērķis, būtība un detalizēts izklāsts

Izgudrojuma mērķis ir paaugstināt refleksijas spektrālā vājinājuma k(X) attēlošanas kvalitāti un k(L) vērtību noteikšanas precizitāti, izmantojot viena RGB attēla datu masīvu polihromatiska līnij spektra apgaismojuma apstākļos.

Lai paaugstinātu objekta virsmas atstaroto signālu noteikšanas precizitāti, ir piedāvāts balto referenci aizvietot ar kalibrētu pelēku referenci, kura atstaro pie visiem izmantotajiem apgaismojuma spektrāllīniju viļņu garumiem un kuras atstarošanas koeficients ir tuvu līmenim, kādā atstaro objekta virsma - piemēram, 10% virs augstākās no objekta atstaroto signālu vērtībām. Pelēkās references atstarošanas koeficientu k’ = I/īo, kur I ir atstarotā intensitāte no pelēkas references un Io ir atstarotā intensitāte no baltas references, pie fiksētiem viļņu garumiem ir iespējams kalibrēt ar precizitāti zem 1%. Refleksijas spektrālā vājinājuma vērtību aprēķinam ir izmantojamas patenta LV 14532 B formulas, kurās baltās references signāli ir aizvietoti ar pelēkās references signāliem, un koriģētās spektrālā vājinājuma vērtības iegūst, atrastās ki, k₂,..., k_n vērtības reizinot ar k’. Pozitīvo efektu — samazinātu atstarotās intensitātes mērījumu relatīvo kļūdu - ilustrē skaitlisks piemērs. Pieņemot, ka no pelēkās references atstarotā signāla līmenis ir 250, no objekta atstaroto signālu līmeņi ir diapazonā 150...225 un attēlu sensora trokšņu līmenis ir 20. Tādā gadījumā attiecīgās S/N vērtības referencei un objektam būs 12.5 un 7.5...11.3, kam atbilst relatīvās kļūdas attiecīgi 8% un 9... 13%, bet nosakāmo k(Xi) vērtību relatīvā kļūda ir tikai 18...23%, t.i., vairāk par 2 reizēm zemāka, nekā izmantojot balto referenci (skat. augstāk aprakstīto piemēru). Pelēkās references izmantošana arī paver iespēju būtiski paaugstināt objekta apgaismojuma līmeni, saglabājot fotouztveršanas linearitāti un rezultātā uzlabojot iegūstamo spektrālo attēlu kvalitāti (kontrastu, izšķirtspēju). Rezumējot var apgalvot, ka baltās references aizvietošana ar pelēko ievērojami paaugstina nosakāmo k(Xi) vērtību precizitāti un refleksijas spektrālā vājinājuma attēlu kvalitāti.

Refleksijas spektrālā vājinājuma attēlu uzņemšanas laikā polihromatiskā apgaismojuma spektrāllīniju intensitātes var savstarpēji atšķirties. Tādos gadījumos ir nepieciešamas korekcijas attēlu apstrādes aprēķinu formulās, jo visu attēla pikseļu uztvertie signāli ir atkarīgi ne vien no attēlu sensora spektrālajām jūtībām Sx pie izvēlētajiem viļņu garumiem, bet arī no attiecīgo apgaismojuma spektrāllīniju relatīvajām intensitātēm.

Bihromātiska apgaismojuma gadījumā tiek piedāvāts ieviest korekcijas koeficientu C12 = I1/I2, kas ir apgaismojuma intensitāšu attiecība pie viļņu garumiem λι un λ2, un ar to pareizināt patentā LV 14532 B definēto relatīvo fotojūtību Sr, Sg un/vai Sb pie izvēlētajiem viļņu garumiem. Ar reizinājumiem ci2*Sr, ci2*Sg un/vai ci2*Sb aizvietojot attiecīgās Sr, Sg un/vai Sb vērtības refleksijas spektrālā vājinājuma aprēķina formulās, tiek ievērota spektrāllīniju intensitāšu atšķirība bihromātiska apgaismojuma situācijās.

Trihromātiskā apgaismojumā intensitāšu atšķirību korekcijas ir veicamas līdzīgi: tiek piedāvāts ieviest korekcijas koeficientus C12 = I1/I2, C13 = I1/I3 un C23 = I2/I3, kuri ir apgaismojuma intensitāšu attiecības pie viļņu garumiem λι, %2 un %3. Nākošajā solī ar korekcijas koeficientiem pareizina attēlu sensora relatīvās fotojūtībās pie attiecīgajiem viļņu garumiem visās trijās fotouztveršajas joslās un ar šiem reizinājumiem aizvieto patenta LV 14532 B izmantotas relatīvas fotojutības

S(Rf

S(R3) ’ _z S(R₂) _{ς r} 5((7,) S(R₃)’ ^0,2 S(G₂) _ S(Gf>

S(G₃) ₌ S(G₂) S(G₃) 'B12

S(B₂)’ ⁵¹³ S(B₃) _S(B₂)

S(B₃) . Konkrēti izmantojamas koriģētās vērtības, ar kuram ir aizvietojamas

Sri2, Sgi2, Sbi2, Sri3, Sgi3, Sbi3, Sr23, Sg23 un Sb23 vērtības zināmajā risinājumā, ir sekojošas: ci2*Sri2, ci2*Sgi2, ci2*Sbi2, ci3*Sri3, ci3*Sgi3, ci3*Sbi3, C23*Sr23, C23*Sg23 un C23*Sb23. Vispārējā gadījumā, izdalot n refleksijas spektrālā vājinājuma attēlus no viena RGB datu masīva pie n dažādas intensitātes spektrāllīniju apgaismojuma, korekcija ir veicama LV 14532 B definētajā sistēmas matricā, ko veido R, G un B kanālu spektrālās

jutības attiecīgi pie viļņu garumiem λι, λ₂, ..., λ_η: Α =

G_n . Šada situācijā B„ _t divu spektrāllīniju intensitāšu attiecināšana korekcijai nav racionāla, jo tādu korekcijas koeficientu var būt ļoti daudz. Tiek piedāvāts vispirms noteikt katras apgaismojuma spektrāllīnijas relatīvo intensitāti attiecībā pret visintensīvāko no tām, t.i. pozitīvus lielumus Ii’, I2’, , In ar vērtībām < 1. Tālāk ar h’ reizina visus matricas 1. kolonnas locekļus, ar I2’ - visus matricas 2. kolonnas locekļus, utt.; ar /«'reizina visus matricas nkolonnas locekļus. Šādi koriģēta A-matrica ir izmantojama precizētu refleksijas spektrālā vājinājuma vērtību noteikšanai katrā objekta attēla pikselī vai pikseļu grupā pie neierobežota apgaismojuma spektrāllīniju skaita n.

Claims

Pretenzijas

1. Paņēmiens refleksijas spektrālā vājinājuma attēlošanai pie vairākiem viļņu garumiem, kurā spektrālā vājinājuma attēlus izdala no viena digitālā RGB attēla datu masīva pie viļņu garumiem, kas atbilst polihromatiska līnijspektra apgaismojuma spektrāllīniju viļņu garumiem, nodrošinot fotouztveršanas linearitāti, izmantojot references atstarotāju un ņemot vērā fotouztvērēja jutības spektrālo joslu pārklāšanos, kas atšķiras ar to, ka refleksijas spektrālā vājinājuma aprēķinam katrā attēla pikselī vai pikseļu grupā izmanto kalibrētu pelēku references atstarotāju, kuram pie visiem apgaismojuma viļņu garumiem refleksijas koeficients ir mazāks nekā baltai referencei un pēc vērtības ir tuvs lielākajam refleksijas koeficientam attēlojamā objekta zonā.
2. Paņēmiens saskaņā ar 1. pretenziju, kurā papildus tiek koriģētas refleksijas spektrālā vājinājuma vērtību kļūdas bihromatiska apgaismojuma spektrāllīniju intensitāšu atšķirības dēļ, ieviešot korekcijas koeficientu ci₂ = Ii/I₂, kas ir apgaismojuma intensitāšu attiecība pie viļņu garumiem λι un λ₂, un zināmajās refleksijas spektrālā vājinājuma aprēķinu formulās relatīvo fotojutību Sr, Sg un/vai Sb vērtības pie izvēlētajiem viļņu garumiem attiecīgi aizvietojot ar reizinājumiem ci₂*Sr, ci₂*Sg un/vai ci₂*Sb.
3. Paņēmiens saskaņā ar 1. pretenziju, kurā papildus tiek koriģētas refleksijas spektrālā vājinājuma vērtību kļūdas trihromatiska apgaismojuma spektrāllīniju intensitāšu atšķirības dēļ, ieviešot korekcijas koeficientus ci₂ = Ii/I₂, C13 = I1/I3 un c₂₃ = I₂/Ī3, kuri ir apgaismojuma intensitāšu attiecības pie viļņu garumiem λι, λ₂ un λ3, ar tiem pareizinot attēlu sensora relatīvās fotojutības pie attiecīgajiem viļņu garumu pāriem un ar šiem reizinājumiem aizvietojot relatīvo fotojutību vērtības zināmajās refleksijas spektrālā vājinājuma aprēķinu formulās.
4. Paņēmiens saskaņā ar 1. pretenziju, kurā papildus tiek koriģētas refleksijas spektrālā vājinājuma vērtību kļūdas polihromatiska apgaismojuma n spektrāllīniju intensitāšu atšķirības dēļ, vispirms nosakot katras apgaismojuma spektrāllīnijas relatīvo intensitāti attiecībā pret visintensīvāko no tām, t.i. pozitīvus lielumus h’, h’, I_n’ ar vērtībām, mazākām par vai vienādām ar 1, un tad sistēmas matricā ^1 ^G1 ^G2

R„ , ko veido R, G un B kanalu spektrālās jutības pie viļņu garumiem

-^2 ·· nj λι, λ₂, ..., λ_η, pareizinot ar Ii ’ visus 1. kolonnas locekļus, ar I2’ pareizinot visus 2. kolonnas locekļus utt., t.sk. ar I_n ’ pareizinot visus matricas n-tās kolonnas locekļus, kur n > 2.