Физическая природа изображений

Материал из Техническое зрение
Перейти к: навигация, поиск

С физической точки зрения большинство изображений, с которыми приходится сталкиваться на практике, представляют собой зарегистрированное некоторым специальным датчиком (сенсором) двумерное распределение интенсивности $\textit{электромагнитного излучения}$, отраженного объектом регистрации или прошедшее сквозь него. Помимо электромагнитного излучения, часто встречающимися источниками изображений являются $\textit{акустические}$ и $\textit{ультразвуковые}$ волны, электронные пучки (в области электронной микроскопии), а также различные двумерные $\textit{поля дальностей и скоростей}$, формируемые на основе анализа электромагнитных сигналов, но не содержащие непосредственно значения электромагнитных характеристик. В последние годы в области $\textit{нанотехнологий}$ возник новый интересный тип измерительных устройств - $\textit{контактные микроскопы}$ с молекулярным и даже атомарным разрешением. Они также являются источниками двумерных информационных "измерительных" полей.

Содержание

Изображения различных диапазонов длин волн.

В пределах электромагнитного спектра, в свою очередь, также выделяются отдельные $\textit{диапазоны длин волн}$, в каждом из которых изображения имеют свои физические особенности и соответственно используются в различных областях применения. В Таблице 1 приведено условное разбиение электромагнитных волн на диапазоны. Следует иметь в виду, что такое деление является достаточно нечетким и приблизительным. Многие диапазоны

Таблица 1. Диапазоны длин волн электромагнитного излучения

$\textbf{Тип излучения}$ $\textbf{Длина волны (м)}$ $\textbf{Энергия фотона (эВ)}$
$\uparrow $

Гамма-излучение

10$^{-12}$

10$^{-11}$

10$^{6}$

10$^{5}$

Рентгеновское

излучение

10$^{-10}$

10$^{-9}$

10$^{4}$

10$^{3}$

Ультрафиолетовое

излучение

10$^{-8}$

10$^{-7}$

10$^{2}$

10$^{1}$

$\textit{Видимый свет}$ 10$^{-6}$ 1
Инфракрасное

излучение

10$^{-5}$

10$^{-4}$

10$^{-1}$

10$^{-2}$

Микроволновое

излучение

(СВЧ)

10$^{-3}$

10$^{-2}$

10$^{-1}$

10$^{-3}$

10$^{-4}$

10$^{-5}$

Радиоволны


$\downarrow $

1

10$^{1}$

10$^{2}$

10$^{3}$

10$^{-6}$

10$^{-7}$

10$^{-8}$

10$^{-9}$

существенно перекрываются, и уверенно говорить о принадлежности данного вида излучения к данному диапазону можно лишь вдали от его границ.

Как известно из квантовой механики, электромагнитные волны имеют двойственное описание в виде потока частиц - $\textit{квантов излучения}$ ($\textit{фотонов}$). При этом энергия фотона соответствует длине волны так, как это показано в Таблице 1. Поскольку в большинстве современных устройств регистрация электромагнитного излучения с целью получения изображений основана на том, что фотоны, попадающие на приемник изображения, своей энергией выбивают электроны, количество которых и определяет снимаемый с регистрирующего элемента заряд, полезно представлять себе энергетические характеристики фотонов для различных длин волн.

Исторически наибольшее значение для человека имеет диапазон длин волн, включающий видимый свет и прилегающие к нему области. Этот участок спектра более подробно представлен в Таблице 2.

Таблица 2. Характеристики волн видимой части спектра и прилегающих к ним

$\textbf{Тип излучения}$ $\textbf{Длина волны (м)}$ $\textbf{Частота ($\times $10}$^{14}$\textbf{ Гц)}$
Ближнее инфракрасное излучение 1,0$\cdot $10$^{-6}$ 3,0
Красный свет максимальной длины волны в видимой области 7,6$\cdot $10$^{-7}$ 3,9
Оранжевый свет 6,1$\cdot $10$^{-7}$ 4,9
Желтый свет 5,9$\cdot $10$^{-7}$ 5,1
Зеленый свет 5,4$\cdot $10$^{-7}$ 5,6
Голубой свет 4,6$\cdot $10$^{-7}$ 6,5
Синий свет минимальной длины волны в видимой области 4,0$\cdot $10$^{-7}$ 7,5
Ближнее ультрафиолетовое излучение 3,0$\cdot $10$^{-7}$ 10

Рассмотрим теперь очень коротко, какие типы изображений различной физической природы используются в различных практических областях применения.

Изображения, полученные с помощью $\textit{гамма-излучения}$, используются в основном в медицинской радиологии и астрономических наблюдениях.

Рентгеновские изображения

Рентгеновские изображения используются в медицине, системах промышленного технического контроля и различных системах обеспечения безопасности. В медицине активно используются два вида рентгеновских изображений:


  1. традиционные $\textit{рентгенограммы}$, являющиеся проекцией рентгеновского излучения, прошедшего сквозь тело пациента, на которых хорошо видно состояние и расположение костей скелета, суставов и внутренних органов человека;
  2. $\textit{томографические изображения}$, представляющие собой набор пространственных "срезов" человеческого тела, характеризующийся гораздо более высокой четкостью и точностью локализации различных органов и образований (о том, как формируются томограммы - см. следующий раздел).

В промышленности рентгеновские изображения используются в системах неразрушающего контроля для определения скрытых дефектов различных деталей и изделий. В системах безопасности рентгеновские изображения используются в качестве детекторов различных металлических и др. предметов при входном или выходном контроле в различных местах массового прохода людей и провоза товаров. Например, в аэропортах, на вокзалах, в проходных предприятий и т. п.


Цифровые рентгеновские изображения формируются двумя основными способами:


  1. путем оцифровки традиционных $\textit{рентгеновских пленок}$;
  2. путем непосредственной регистрации светового излучения, порождаемого специальными $\textit{рентгеновскими экранами}$, переводящими рентгеновское излучение в световое.


Ультрафиолетовые изображения

Ультрафиолетовые изображения используются в производственном контроле, микроскопии, лазерной технике, медицинских и астрономических наблюдениях.

$\textit{Инфракрасный диапазон}$, в свою очередь, обычно разбивают на два поддиапазона: $\textit{тепловой ИК-диапазон}$ и $\textit{ближний ИК}$.

ИК-изображения, полученные в тепловом диапазоне (8--14 мкм), позволяют непосредственно пересчитывать интенсивность элементов изображения в значения температуры наблюдаемых поверхностей. Холодные объекты на таких изображениях предстают более темными, теплые объекты - яркими, а горячие - "светящимися" (так как они нагревают и воздух рядом с собой). Такие изображения используются в самых различных областях применения:


  1. в системах промышленного и экологического мониторинга, выявляющих утечки тепла в различных технических устройствах, сетях теплотрасс и т. п.;
  2. в системах военного назначения для наведения на "горячие" объекты военной техники, например, двигатели, факелы ракет и т. п.;
  3. в биометрических системах, например, в системах автоматического контроля доступа на основе $\textit{термограмм}$ человеческого лица, представляющих собой уникальные изображения, которые чрезвычайно сложно подделать, в отличие от обычных фотографий в видимом диапазоне;

и множестве других областей и приложений.

Для получения изображений в глубоком ИК-диапазоне используются специальные устройства - $\textit{тепловизоры}$. Долгие годы развитие тепловизионных систем сдерживалось большими габаритами тепловизоров, их большой стоимостью и неудобством эксплуатации, связанным необходимостью использовать для охлаждения регистрирующих матриц жидкий азот. В последние десятилетия в этом направлении произошел существенный прогресс. Созданы достаточно портативные и экономичные системы тепловидения, не требующие охлаждения жидким азотом и при этом обеспечивающие необходимое качество тепловизионных изображений.

Изображения, полученные в ближнем ИК-диапазоне, по большинству своих характеристик схожи с изображениями видимого диапазона, однако съемка в ближнем ИК позволяет снимать ночью, когда света для обычной видеосъемки недостаточно. Таким образом, существенной областью применения изображений ближнего ИК является $\textit{ночное видение}$. Другой областью применения ИК-систем является $\textit{невидимая ИК-подсветка}$. Здесь принципиальным моментом является то, что большинство современных видеокамер для технического зрения "видят" в ближнем ИК-диапазоне так же хорошо, как и в видимом. В то же время человек не в состоянии видеть изображения в ИК-диапазоне. Таким образом, системы технического зрения в ИК-диапазоне могут специально подсвечивать те или иные элементы сцены незаметно для человека, не создавая для него дискомфорта и вообще никак не проявляя своего присутствия. Во многих системах ночного видения (например, в системах видеонаблюдения охранного назначения) используются ИК-прожекторы, увеличивающие общую ИК-освещенность сцены наблюдения. В технических измерительных системах на производстве, где зачастую требуется специальным образом подсветить часть детали (например, контролируемый профиль поверхности), такая $\textit{структурированная подсветка}$ также часто осуществляется в ближнем ИК-диапазоне. С теми же свойствами "невидимости" для человеческого глаза связано и использование специально нанесенных ИК-элементов (а также и УФ-элементов) в системах контроля подлинности денежных банкнот и других ценных бумаг.

Изображения видимого диапазона используются практически во всех областях машинного зрения, поскольку это тот диапазон регистрации изображений, в котором полученные изображения выглядят наиболее привычно и естественно для человеческого глаза. Следует отметить, что в течение первых десятилетий развития компьютерного зрения цифровые изображения рассматривались исключительно как $\textit{полутоновые (halftone)}$, то есть содержащие не цветные элементы, а квантованные $\textit{градации серого (gray levels)}$ - от черного до белого. В последние годы с появлением высококачественных экономичных цветных цифровых фотоаппаратов и видеокамер цифровое изображение по умолчанию все чаще рассматривается как цветное, имеющее в каждом пикселе три $\textit{цветовые компоненты}$. Как известно, любой произвольный цвет может быть получен путем смешения (линейного суммирования с различными весами) трех различных чистых цветов. Традиционное представление цветных изображений в компьютере основано на цветовой тройке RGB (red, green, blue - красный, синий, зеленый). На этапе анализа цветных изображений часто осуществляется переход к другим цветовым пространствам, например, HSI (цвет, насыщенность, интенсивность). Более подробно об этом будет рассказано в отдельном разделе, посвященном обработке цветных изображений.

Микроволновые изображения

Микроволновые изображения применяются в области радиолокации. $\textit{Излучатель}$ радиолокатора постоянно (вариант - имульсно) испускает электромагнитное излучение, отражение которого от различных объектов затем регистрирует $\textit{антенна}$ радиолокатора. В связи с тем, что антенна радиолокатора - сложный радиотехнический прибор, мало похожий на матрицу традиционного приемника изображения, радиолокационные изображения имеют более сложную и необычную геометрию, которая, впрочем, может быть преобразована к традиционной путем специальной математической обработки. Радиолокационные изображения характеризуются, как правило, высоким контрастом и могут служить для быстрого автоматического выделения объектов, присутствующих в поле зрения радиолокационной системы. В то же время особенностью радиолокационного изображения реальной сцены является отсутствие на нем объектов, слабо отражающих волны микроволнового диапазона. Существенным достоинством радиолокационных изображений является то, что они могут быть получены на больших расстояниях, на которых четкость оптической съемки теряется из-за рассеяния света в атмосфере. Более того, микроволновое излучение способно проникать даже сквозь облака, растительный покров, лед и сухой песок. Все это делает микроволновую съемку чрезвычайно привлекательной для применений в военной области, а также в области глобального мониторинга Земли из космоса и с авиационных носителей.

Радиоволновые изображения

Радиоволновые изображения преимущественно используются в медицине и астрономии. Достаточно сказать о том, что наиболее современный метод получения медицинских томографических изображений высокого разрешения - $\textit{ЯМР}$ ($\textit{ядерный магнитный резонанс}$) основан на регистрации радиоволновых сигналов клеток человеческого тела, помещенных в сильное магнитное поле и возбуждаемых короткими волновыми импульсами в радиодиапазоне.

Изображения различной физической природы.

Акустические изображения

Акустические изображения активно используются в геологии, промышленности и медицине.

Ультразвуковые изображения

Ультразвуковые изображения применяются во множестве областей промышленности и техники, но наиболее известно их применение в медицине - для получения внутриматочных изображений человеческого плода в утробе матери, а также для быстрой инспекции патологий различных внутренних органов человека. Следует отметить, что медицинское ультразвуковое изображение содержит не просто интенсивность отраженного ультразвукового сигнала, а еще и дальность до отражающей поверхности, вычисленную на основе расчета скорости распространения ультразвукового сигнала в человеческих тканях.

Двумерные поля дальностей

Двумерные поля дальностей формируются на основе анализа электромагнитных сигналов, испускаемых и принимаемых по локационной схеме. В качестве таких дальнометрических систем в последние годы все чаще используются $\textit{лазерные локаторы}$, позволяющие осуществлять оптическое сканирование трехмерных поверхностей с больших расстояний (до десятков километров), обеспечивая при этом максимально возможное разрешение. Так же, как и в случае ультразвуковых картин, дальнометрический локатор сканирует поверхность, испуская серии коротких волновых импульсов, отражения которых от поверхности объекта регистрируются приемником локатора, после чего рассчитывается время прохождения импульса до объекта и обратно, откуда окончательно определяется дальность до точки поверхности объекта. Получаемое изображение называется в таком случае $\textit{картой глубин}$ и содержит непосредственные значения расстояний от локатора до точек поверхности объекта - то есть непосредственно измеренный трехмерный рельеф данной поверхности. Двумерные поля дальностей находят широкое применение в области картографии, дистанционного зондирования Земли, технических измерений и технического контроля в промышленности и во многих других областях.

Двумерные поля скоростей

Двумерные поля скоростей формируются аналогичным образом - за счет излучения и приема волновых импульсов. Однако пикселы таких изображений содержат уже не значения расстояний до соответствующих точек, а значения скоростей движения этих точек отражающей поверхности. Вычисление скоростных характеристик осуществляется за счет анализа $\textit{доплеровского сдвига}$ отраженного сигнала. В таком случае говорят, что локационное изображение имеет смысл $\textit{карты скоростей}$, а локатор работает в режиме $\textit{СДЦ}$ ($\textit{селекции движущихся целей}$). Двумерные поля скоростей используются в системах различного назначения преимущественно в целях выделения движущихся объектов.

2-1-3.jpg

Пример многоспектральных изображений. Показаны изображения городской сцены в ТВ- и двух ИК-диапазонах (3-5 и 8-14 мкм)

В заключение данного краткого обзора изображений различной физической природы необходимо отметить, что многие современные системы зрения основаны не на анализе изображений одного типа, а на $\textit{комплексировании}$ ($\textit{fusion}$) двумерных данных, получаемых в различных диапазонах длин волн, а также данных, получаемых от устройств, основанных на различных физических принципах. В частности, в области исследований Земли из космоса стандартом стала $\textit{мультиспектральная съемка}$ (съемка Земной поверхности одновременно в нескольких диапазонах видимого света и ближнего ИК). Получаемые в результате $\textit{многозональные изображения,}$ каждый пиксел которых имеет целый вектор значений, полученных в близких, но отличающихся спектральных диапазонах, позволяют с высокой надежностью автоматически выделять на этих изображениях области растительности разного вида, различные типы почв и т. д. и т. п. В последние годы речь идет уже не о многозональной, а о $\textit{гиперспектральной}$ съемке, при которой задействуются уже не несколько, а десятки и даже сотни близко расположенных узких волновых диапазонов. С другой стороны, комбинирование источников изображений различной физической природы позволяет удачно "поделить" между ними функции единой системы машинного зрения. Например, робототехническая система, объединяющая установленные на единой платформе телекамеру высокого разрешения, тепловизор и локатор в режиме СДЦ имеет возможность быстро автоматически выделить в поле зрения только теплые движущиеся объекты, после чего внимательнее рассмотреть и проанализировать их форму и характеристики на детальном изображении видимого диапазона.

Полезные ссылки

  1. ☝ К началу
  2. ☜ Растровое изображение
Личные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты