电视成像系统

2024-05-19

电视成像系统（精选八篇）

电视成像系统篇1

关键词：表面麻醉,喉内镜,声带良性病变,手术

声带良性病变, 基层医院多见, 发病者多见于言语较多的人群及职业, 对患者的生活质量造成影响, 声带良性疾病中以声带息肉、声带小结等良性病变多见。改善发声行为及药物治疗有一定效果, 但绝大部分需要手术治疗。目前手术方式及种类较多, 效果与手术适应证的选择及手术方式密切相关。我科2012年1月至2013年12月收治的声带良性病变在表面麻醉喉内镜成像电视监视系统系统下手术, 取得满意效果, 无明显并发症及意外发生, 报道如下。

1 资料与方法

1.1 临床资料:

52例患者, 男24例, 女31例;年龄26~62岁, 平均42岁;病程3个月~5年。其中声带息肉44例 (双侧5例, 左侧11例, 右侧28例) , 声带小结8例 (双侧) , 声带囊肿2例 (均在右侧) , 声带乳头状瘤1例 (单侧:左侧) , 所有患者结果均经术后病理证实。

1.2 手术设备及器械:

70°喉内镜系统 (国产:杭州桐庐) , 监视摄像手术系统 (医用综合治疗台:BET-1803, 烟台冰科集团有限公司) 。

1.3手术方法:

所有患者清晨手术, 术前1 d嘱咐患者晚餐后禁饮食, 术前30 min肌注阿托品及苯巴比妥钠, 采用咽喉部黏膜反复1%地卡因表面麻醉, 术中全程心电监护及血氧饱和度监测。患者取坐位, 麻醉至咽反射基本消失后, 嘱咐患者尽量将舌伸出口外, 由助手用纱布包裹固定, 经口置入70°喉内镜, 由电视监视器上明确病变所在及形态, 嘱咐患者发“e”及深吸气暴露声门后选择合适角度的万能喉钳, 术者左手持内镜, 右手持万能喉钳, 让患者深吸气时憋住气数秒, 准确用万能喉钳切除病变, 不得松动喉钳, 取出喉钳及内镜, 助手松开患者舌部, 让患者休息, 检查切除物是否完整, 留取病检, 再次喉镜下检查病变有无残留, 检查声带及喉腔结构有无异常及副损伤, 有残留可再用上述方法进行手术, 直到病变切除。手术操作要点是教会患者正确发音及做深呼吸运动, 手术者有熟练的内镜操作经验及技巧, 术中用言语及呼吸等动作让患者尽量暴露声门及病变, 同时术者能准确抓住操作时机, 准确切除病变, 一次操作喉钳闭合后中途不得松开万能喉钳, 否则可能造成医源性支气管异物, 全程通过电视监视内镜成像系统精细操作, 仔细观察病变情况, 对于单发带蒂的声带息肉, 在息肉根部与正常组织交界处一次钳取切出息肉。对于广基型的声带息肉, 用喉钳分次切取, 尽量不损伤声带肌, 使声带光滑平整即可。对于声带囊肿, 用喉钳咬出囊膜即可。若为双侧病变, 应待一侧声带病变完全切除后再行另一侧声带病变手术, 双侧声带前联合病变需分次手术。术中应尽量避免过多损伤正常声带的黏膜及声带肌, 以免影响患者术后的发声质量。

1.4 术后处理:

术后禁声2周, 常规给予地塞米松5 mg, 硫酸庆大霉素8万U, 糜蛋白酶4000 U加生理盐水10 m L行雾化吸入, 2~4次/天, 连续3~7 d。同时禁食辛辣刺激性食物, 2周后进行发声训练。所有患者出院前及术后2周复查喉镜, 随访3~12个月。

1.5 疗效评定标准:

(1) 治愈:发声完全恢复正常;喉镜示声带病变消除, 黏膜光滑和声门闭合良好; (2) 好转:声嘶明显改善, 喉镜示声带黏膜局部欠光滑整齐, 声门闭合时有一小缝隙; (3) 无效:声嘶无明显改善, 喉镜下显示声带病变未完全消失, 声带黏膜边缘不光滑。

2 结果

55例患者均一次性完成手术, 术中未发生严重喉痉挛、窒息、低氧血症及医源性支气管异物, 无明显手术并发症。总有效率为100%, 其中治愈48例 (87.3%) , 好转7例 (12.7%) , 随访3~12个月, 2例声带小结一年后复发 (教师1例, 商人1例) 。

3 讨论

声带良性病变多以声嘶就诊, 影响生活质量, 多由临近器官炎性病变、生活习惯不良、职业暴露及用声不当等引起。本组病例中声带小结及息肉病变者女性较多 (56.4%) , 职业中以中小学教师及营销人员较多。文献报道本病多见于长期用声者[1], 一定程度反应出职业用声不当可导致声带长期水肿损伤而引起声带小结及息肉。纠正个人不良用声行为及早期药物干预治疗极其重要。

声带良性病变保守治疗, 多不能消除器质性病变, 以手术为主, 常采用的手术方法有间接喉镜、纤维喉镜, 电子喉镜和支撑喉镜下声带手术等。但是各种手术方法各有优缺点及手术适应范围, 如间接喉镜下行声带手术, 视野小、不清晰, 致手术操作盲目, 易残留或损伤正常组织, 医患配合要求较高;纤维喉镜下手术, 患者虽然反应轻, 痛苦小, 恢复快, 费用低[1], 易于配合, 但因喉钳较小、力量弱而难以切除广基、质硬或较大的病变[2];电子喉镜下声带手术具有简单, 经济, 并发症少等优点, 但治疗广基声带息肉支撑喉镜优于电子喉镜[3];直视支撑喉镜下声带手术, 手术过程中无法放大声带病变组织, 也无法进行显微手术操作, 声带肿物容易残留及复发[4,5,6]。另外有些患者存在颈项粗短、会厌卷曲、颈椎病、上牙列前突和喉体较高等情况, 导致支撑喉镜下充分暴露声门困难, 从而不能完全在直视下完成手术[5,6]。目前我科通过采用70°喉内镜成像电视监视系统系统下手术, 使手术视野明亮清晰, 同时可观察到双侧声带的全貌, 对声带病变和手术切除效果的观察较为细致, 病变切除精准, 微小的病变或残留经放大后均可发现, 能及时加以彻底切除, 这对术后声带边缘的平整和光滑起到重要作用, 表面麻醉喉内镜下手术治疗声带良性病变, 患者容易接受, 手术安全、创伤小、费用低廉, 操作有一定难度, 需要一定手术操作技巧, 同时, 对广基型声带息肉及肿物, 声带任克水肿等病变内镜下手术需反复操作, 出血时不易止血, 耗时较长, 风险较大, 容易残留及造成副损伤及引起不良反应, 不建议采用该方法。通过实践, 综合文献报道及个人体会, 喉内镜成像电视监视系统系统手术治疗声带良性病变有如下优点[6,7]:内镜显像系统手术视野宽阔, 光照良好, 视野清晰, 有放大作用, 能清晰观察到声带病变, 在彻底切除病变的同时, 尽可能保留正常声带黏膜, 提高了术后效果, 能多人同时观查, 方便教学及保留病历资料;不同角度的内镜连接成像电视显示系统后, 通过显示器观察声带病变, 可以清晰暴露声门、喉室及声门下区, 解决了支撑喉镜下声门暴露不佳的问题;特别70°喉内镜对于声带前连合病变治疗更有优势[7] (图1、2) 。70°喉内镜对于肥胖、颈短及喉体较高的患者也可看清楚病变, 但是同时配合用万能喉钳经口腔操作切除喉腔病变时, 操作技术要求极高, 未经熟练系统的训练, 不能轻易尝试。

麻醉问题:喉内镜表麻下声带手术成功的关键是麻醉效果, 麻醉效果良好, 咽反射基本被抑制, 熟练的操作手法能在数秒及数分钟即完成手术, 手术损伤小, 可达到微创治疗效果。常用表面麻醉药物为地卡因, 其作用强, 毒性大, 过量及过敏可引起死亡, 一次用量不能超过60 mg[8]。采用1%地卡因反复咽喉喷雾麻醉, 初次喷雾时尽量让患者配合在吸气状态下喷入, 咽部多余麻醉液可咽下, 有利抑制咽反射, 间隔3~5 min喷雾麻醉一次, 连续喷雾3次后多数患者效果良好, 用药量不多, 达不到中毒剂量, 但3次以上, 为防止药物过量吸收中毒, 咽部药液尽量经口腔娩出, 手术全程必须控制地卡因用药总量 (<60 mg) 。

参考文献

[1]张卫东, 孙雪峰, 李晓丽, 等.纤维鼻咽喉镜下声带良性肿物摘除术126例报告[J].河北北方医学院学报 (自然科学版) , 2011, 27 (6) :104-105.

[2]李正玉, 李剑华, 李慧.纤维喉镜下声带息肉摘除术269例[J].中国眼耳鼻喉科杂志, 2008, 8 (1) :2.

[3]林华, 潘成军.电子喉镜与支撑喉镜治疗声带良性肿物的疗效比较[J].中国现代医生, 2011, 49 (6) :123-124.

[4]黄映红, 黄敏齐, 张建国, 等.支撑喉镜下微型电动切削器在声带息肉中的应用[J].中国耳鼻咽喉颅底外科杂志, 2006, 12 (6) :470-471.

[5]戚恩国, 何恒胜, 李家容.支撑喉镜声门暴露困难病例的处理[J].重庆医学, 2006, 35 (7) :647.

[6]王维安, 路荣.支撑喉镜联合鼻内镜系统治疗声带良性病变52例分析[J].临床耳鼻咽喉头颈外科杂志, 2013, 27 (11) :577-578.

[7]刘日渊, 王荣光, 赵辉.支撑喉镜下应用不同角度内镜的显露效果比较分析[J].临床耳鼻咽喉头颈外科杂志, 2013, 27 (4) :196-198.

幻影成像教学系统的开发与研究篇2

摘要：基于现有的幻影成像视频源不可控的使用性限制，使得幻影成像只能以固定的方式进行播放。因此，项目以3DVIA Studio为仿真平台开发一套可控3D动画系统，并且与幻影成像系统结合，实现幻影成像视频源的可控性，并应用幻影成像系统对发动机复杂结构原理进行展示。以3DVIA Studio作为实验平台，运用行为设计、流程图编程开发方式实现人机交互功能，依靠Virtools Scripting Language （VSL）编程语言进行画面分屏处理，然后与幻影成像系统结合，实现现实景物与虚幻3D动画融合和可控幻影成像视频源的开发，应用于教学进行生动展示实现高效率教学。

关键词：幻影成像；3DVIA Studio；融合；可控性

中图分类号：TP393 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）09-0085-03

引言

3D动画结合幻影成像系统近年来发展颇为迅速[1]。上海世博会多个国家馆中都对这一系统结合3D动画进行了媒介融合的实践与智能推介。两者的融合实践在表现方式上具有明显的创新性与灵活性，其亦幻亦真的感觉，带给了观众全新的视觉体验。目前国内还停留在对幻影成像系统或是3D动画创作单项层面的研究，没有对3D动画和幻影成像两者之间进行有效的资源整合，可以说对国内目前这一领域的理论与技术的研究还处于初级低层次的状态。因此，本文以3DVIA Studio为平台制作可控动画，实现幻影成像视频源的可控性，与幻影成像设备相结合，以带给观众亦真亦幻的视觉体验，并且与教学系统相结合实现动态展示复杂发动机结构的生动教学，提高对于抽象结构的高效率教学。

一、幻影成像的概念及成像原理

幻影成像也称三维立体虚拟成像[2]，是澳大利亚The Shirley Spectra公司的一项针对博物馆、科技馆、展览馆等进行创意和制作的国际领先的全新展示技术，是基于“实景造型”和“幻影”的光学成像结合，将所拍摄的影像（人、物）投射到布景箱中的主体模型景观中，构成了动静结合的影视画面，演示故事的发展过程使之获得一种“立体幻影”与实物模型结合及相互作用的逼真的视觉效果，配上三维声音、灯光、气味、烟雾等，使其更加惟妙惟肖，非常适合博物馆。

幻影成像是一种将三维画面悬浮在实景的半空中成像，营造了亦幻亦真的氛围，效果奇特，具有强烈的纵深感，真假难辩。形成空中幻象中间可结合实物，实现影像与实物的结合。

二、制作过程

先是利用三维建模软件对物体建模，然后利用3DVIA Studio中BB模块编写流程控制图，然后是幻影成像源开发的核心部分，对屏幕使用VSL语言进行分屏操作，最后则是与幻影成像设备结合，实现可的幻影成像源的开发。

1.模型前期准备

通过一般机械CAD软件建立的三维模型基本都可以用SOLIDWORKS打开，进行添加材质、贴图、渲染等操作后，导出为3dxml格式即可导入到3DVIA Studio中，然后再3DVIA Studio进行行为方式的编辑[3]。

大涵道比涡扇发动机，结构设计和强度振动技术要求较高，特别强调提高结构效率，结构在满足全部使用的条件下，重量最轻、结构可靠，成本最低。适度低展弦比的宽弦空心结构的风扇叶片不仅具有先进的气动性能和抗振能力，而且可以明显减轻结构重量和减少零件数量，增加级负荷，提供较大的失速裕度，较高的效率。宽弦空心风扇叶片是大涵道比涡扇发动机的一个技术方向[4]。由于宽弦空心风扇叶片叶型曲面的复杂结构，一般建模软件不易实现，所以我们选用了CATIA、UG曲面建模好的软件进行建模。通过UG进行曲面设计，最终的叶片实体模型（如图2所示）真实地反映了发动机宽弦空心风扇叶片的复杂结构。图3是在SOLIDWORKS中渲染得到的。

2.3DVIA Studio编写行为流程

3DVIA Studio中的Building Blocks功能是用逻辑图来实施所编写的behavior Tasks和Functions。一些常用的Building Blocks已经封装在3DVIA Studio中。用户还可以使用逻辑图或者VSL语言来编写所需要的Building Blocks。这些预封装的Building Blocks一部分来源于现有的API函数，另一部分则来源于编译后的VSL和C++源文件。

如图4，利用3DVIA Studio中的BB编写的动画控制逻辑图，我们根据自己的需要选择控制动画的方式，并通过逻辑关系来实现所需动画，每个BB都会有几个不同的连接借口，不同的逻辑思路和不同的连接方法做出的动画结果是千变万化的。图中连接方式所实现的效果是对模型物体进行大小变化的模块，Keep Active用于使后面的Building Blocks组件在整个程序运行的过程中始终保持激活状态，keyboard是用来监视键盘输入的模块，只要是键盘输入、输出的动作都需要用keyboard这个BB来对键盘进行激活控制。在这个逻辑图中，也就是使监控键盘的Is Key Press一直监控某一个具体按键的输入，经过流程后用Add和Subtract两个BB来控制物体大小。

3.VSL编写分屏代码

在搭建可控幻影成像视频源的过程核心技术就是要实现视频源的四个摄像机所录制的视频实时可控性，四个摄像机要动作协调一致，摄像机的位置也要经过严密的计算使得距离物体的距离是一致的。下面是利用VSL脚本语言编写的分屏程序的部分核心代码：

// Match a specific existing camera

if（CameraToMatch）{

stereoCam.SetWorldTransform（CameraToMatch.GetWorldTransform（））；

stereoCam.SetFov（CameraToMatch.GetFov（））；

stereoCam.SetNearClip（CameraToMatch.GetNearClip（））；

stereoCam.SetFarClip（CameraToMatch.GetFarClip（））；

}

//active stereo

if（ StereoType == StereoSubType：：ActiveStereo ）

{

vkRenderOptions& ropt = vkRenderOptions：：Instance（）；

ropt.stereo = true；

}

else if（ StereoType == StereoSubType：：SideBySide ）

{

// Split main viewport into left and right viewport

viewport.SetSubViewportCount（9）；

// Set left and right camera to corresponding viewports

viewport.GetSubViewport（0）.SetCamera（A）；

viewport.GetSubViewport（1）.SetCamera（B）；

viewport.GetSubViewport（2）.SetCamera（C）；

viewport.GetSubViewport（3）.SetCamera（D）；

viewport.GetSubViewport（4）.SetCamera（E）；

viewport.GetSubViewport（5）.SetCamera（F）；

viewport.GetSubViewport（6）.SetCamera（G）；

viewport.GetSubViewport（7）.SetCamera（H）；

viewport.GetSubViewport（8）.SetCamera（I）；

4.原理与分屏效果

在3DVIA Studio 中采用VSL脚本语言编程将屏幕分割成九个大小相同的区域，如图5，在模型前后左右四个面调整设置相应的摄像机进行图像的录制与输出，然后再利用幻影成像膜做出金字塔形状的成像金字塔。成像金字塔的四面均与视线成45度角，将视频或者是3D动画程序在屏幕上进行播放，光线直接投射在倾斜的成像金字塔侧面，通过幻影成像膜的反射使光的路线发生转折并进入人的眼睛里，视网膜感光后会沿着光的路线去看，通过透明的幻影成像膜的将屏幕中的四个面的图像融合成一个整体投影在成像金字塔内部，在成像金字塔内部呈现出立体的3D模型。系统采用3DVIA Studio实时可控动画编程，使用四个位置的摄像机分别进行前后左右面的实时情况，使用者可以自己任意控制转动模型，变换模型角度进行观察，实现了可控的3D动画系统。

目前采用幻影成像膜的是因为膜的厚度较小，透光性和折射性好，而且采用膜比较容易成型，但是膜的强度不够容易产生变形而导致形成的幻影也就会发生畸变；若是采用硬度较强的玻璃作为介质的话，一来玻璃不容易加工，二来由于玻璃有一定的厚度，光路在玻璃中会产生一次折射和两次反射，从而会导致有重影的现象产生。

如图6，播放器放置在幻影成像金字塔上方，则会有人物、物体悬在半空中的亦真亦幻的感觉。可以与实际景物相结合，如图8中可以看出渲染后的叶片仿佛是放置在圆柱体凸台上，圆柱体凸台为实物，是用来放置叶片当作叶片支撑的，而且可以与后面的背景融合，实现了实景与虚物的融合。采用幻影成像膜是为了避免了重影问题，当然，现在也已经研制出了专门用来制作幻影成像设备的玻璃，但由于其价格昂贵，项目则仍然采用幻影成像膜。

三、可交互幻影成像系统的应用

应用可控幻影成像系统可以揭示复杂的现象规律、解释一个科学原理、展示发动机复杂的结构、讲解发动机工作原理、介绍新科技产品，适合表现细节或内部结构较丰富的个体物品等。尤其可以进行虚拟发动机的教学，以直接的裸眼3D模型讲述发动机的复杂结构，运用3DVIA Studio中的动态物理模拟系统可以生动的展示发动机工作原理和发动机工作时各个系统的作用，以三维影像展示给学生立体的感觉，提高教学效率，加深学习印象。

参考文献：

[1]余春娜.新媒体语境下3D动画结合幻影成像系统的媒介融合实践与智能推介研究（一）[J].影像技术， 2012，24（6）：59-60.

[2]田岸婷.幻影成像在博物馆陈列设计中的运用[J].美术科技， 2014（10）：55-55.

[3]邹鹏程，朱文华，陈九龙.基于3DVIA Studio的生产线仿真研究[J].工业控制计算机，2013（8）：38-39.

电视成像系统篇3

2008 年, 英国国防部利用电视成像技术改进坦克隐身功能的试验, 可以说是为未来数字化坦克发展开启了一个新的思路。与此同时, 随着电视成像技术的不断发展, 高清摄像机、高清液晶屏与高清视频传输线缆的相继出现, 让电视成像技术进入了“4K时代”。但是, 纵观我国目前的主战坦克, 还并没有将电视成像技术的优势运用到坦克身上。可以说, 这一领域的研究, 在我国还处于“空白”阶段。本文设计了一个新的构想:通过电视成像技术改进坦克瞄准镜并利用触控技术改变射手操作方式, 以此加强坦克战场观察能力、提高瞄准精度、简化操作步骤与缩短操作时间, 从而提高我军主战坦克先敌开火、首发命中的战斗能力。

1 利用电视摄像技术采集瞄准镜画面

1.1 电视摄像技术采集瞄准镜画面的设计构想

电视摄像, 指利用摄像镜头与摄像机将采集到的光信号转换为电子信号的成像活动。只有通过光电转换这一过程, 才可以实现图像传输与图像存储。但是目前坦克炮塔上安装的瞄准镜相当于人们平时所用的望远镜, 即人眼贴近取景器后, 直接采集光信号。因此, 需要利用摄像镜头与摄像机对瞄准镜进行改进, 使其具备光电转换功能。瞄准镜与摄像镜头虽然都属于光学仪器, 但是两者所用光学技术各不相同, 瞄准镜所具备的技术优势是摄像镜头所不能替代的。但是如果将摄像镜头衔接于瞄准镜, 再通过视频线缆将摄像镜头与摄像机相连, 摄像机便可以采集瞄准镜画面, 从而实现光电转换过程。其原理是:瞄准镜采集光信号, 摄像镜头采集瞄准镜画面内的光信号并通过视频线缆传输至摄像机, 摄像机将光信号转换为电子信号。在实际运用中, 由于摄像机技术性能的优劣与电子信号的编解码方式不同, 画质被分为标清与高清。为了不影响坦克作战能力, 摄像机必须具备高清编解码能力。

1.1.1 高速智能化球形摄像机的运用

摄像机, 一般由镜头和机身组成。目前像素较高、成像较好的摄像机, 镜头比较长、机身体型较大, 并不适合安装在炮塔上的瞄准镜后方。通过分析研究, 笔者认为在坦克上安装的摄像机必须是镜头与机身结合于一体, 并具备自动聚焦、自动光圈、自动云台等功能的一体化自动摄像机。其中, 高速智能化球形摄像机 (以下简称) 是最好的选择。高速球是一种集成了摄像机系统、云台系统和通讯系统, 常用于高速公路、城市道路的监控系统上。高速球最基本的特点便是运行速度快、运行平稳、定位精确, 因此这种体积小巧、造价便宜、固定牢靠、像素较高、功能强大的一体化智能化摄像机, 最适合运用在数字化坦克上。

1.1.2摄像机光圈自动调节功能的作用

实践证明, 坦克在光线较暗的黄昏、清晨环境下作战, 虽然还并不需要启动热成像夜视仪或微光夜视仪, 但是昏暗的瞄准画面无疑会对作战行动造成非常不利的影响。如果将瞄准镜画面的光信号转换为电子信号后, 那么摄像机处理图像的技术优势就可以发挥出来, 例如光圈自动调节功能。光圈, 是现代摄像技术中的重要参数, 其功能就如同我们人眼的虹膜, 主要是用来调整数码摄像机的进光量, 也就是画面的亮度。如果画面亮度偏暗, 摄像机便会自动调整光圈至合适的数值, 以增加画面的亮度。当然, 光圈的数值也有极限, 不可能无限增加画面亮度。但是对于坦克在昏暗环境下的作战行动, 光圈调节功能可以有效改善瞄准镜采集的画面亮度, 帮助炮手快速发现并准确锁定目标, 以此提高炮手在傍晚、清晨作战时的观察能力和瞄准精度。

1.2瞄准镜镜片与摄像镜镜片组合运用的意义

瞄准镜与摄像镜头均是由光学镜片组成的光学仪器, 两者衔接后, 其工作原理实际上是两者镜片的组合运用。在实际运用中, 直接采集战场画面的瞄准镜是关键, 摄像镜头只是负责采集瞄准镜内的画面。如果用摄像镜头的广角技术与长焦技术改进瞄准镜镜片, 那么瞄准镜的观察效果就会得到巨大的改进。

1.2.1利用广角镜头技术增加战场观察范围

广角镜头是一种焦距短于标准镜头、视角大于标准镜头、焦距长于鱼眼镜头的摄像镜头。在摄像活动中, 常用于拍摄较大场景的画面。其基本特点是:镜头视角大、视野开阔, 可以涵盖大范围景物;景深长, 画面清晰范围较大, 能突出远近对比。如果利用广角镜头技术改进瞄准镜, 那么瞄准镜就会获得更为宽广的视野范围, 从而提高坦克观察战场、搜索目标的能力。另外, 广角镜头还可以安装在炮塔周围的观察镜上, 有效改善各乘员的视场范围。

1.2.2利用长焦镜头技术的背景虚化功能突出目标主体

长焦镜头全名叫长焦距镜头, 指比标准镜头焦距长的摄像镜头, 适合于拍摄远处的对象。由于它的景深范围比标准镜头小, 因此可以更有效地虚化背景突出对焦主体。试想当较远距离上的目标较好地隐藏在周围环境中时, 便可以使用运用了长焦镜头技术的瞄准镜的背景虚化功能, 突出目标主体, 提高瞄准精准度。但是由于景深范围较小, 长焦镜头的缺点也比较明显, 那就是视场范围比较小。在实际运用中, 不能同时将长焦镜头技术与广角镜头技术运用在瞄准镜上, 否则会造成画面的严重变形。为了同时发挥两种镜头技术的优势, 可以将两种镜片同时安装在瞄准镜中, 但并不同时使用两种镜头, 而是将两者摄于切换状态, 需要使用时射手自行切换其中一种镜片。

2 利用电视成像技术输出瞄准镜图像

2.1摄像机采集瞄准画面后的成像设计构想

由于坦克目前的瞄准镜是人眼直接采集光信号的工作方式, 因此射手前方的观瞄装置并不需要安装任何显示器来输出瞄准镜图像。但是, 摄像机采集画面后的图像是电子信号, 这就需要将观瞄装置改换为显示器, 才能将采集后瞄准镜图像输出出来。其原理并不复杂:高速球采集瞄准镜画面后, 通过视频传输线缆传输图像, 并与射手自动操纵台上方的显示器连接。这就类似于坦克模拟器中的网上红蓝对抗, 射手直接看着电脑显示器上的画面来进行瞄准射击的操作。

2.1.1利用高清视频线缆实时传递画面

视频线缆顾名思义是传输视频信号的线缆, 同样被分为标清线与高清线。由于使用的是高清摄像机, 因此食品线缆必须是高清视频线缆。同时, 坦克在运动过程中非常的颠簸, 因此必须使用固定牢靠的视频线缆。高清视频线缆其实由线缆与接头两部分组成, 要同时兼具高清传输能力与固定牢靠两个优点, 在目前的高清线缆中, 同轴电缆与BNC接头无疑是最好的选择。同轴电缆是指由两个同心导体, 而导体和屏蔽层又共用同一轴心的电缆, 其优点是支持传输能力强、耐磨且不易受损。BNC接头则是用于同轴电缆与设备间的连接头, 全称是卡口配合型连接器。其最大的优点, 就是在接头上有一圈弯曲的卡扣, 连接后顺时针旋转180°便可以牢固的固定在设备上。

2.1.2利用液晶屏幕输出高清瞄准画面

众所周知, 坦克车体内空间是比较狭窄的。因此在将观瞄装置改换为显示器后, 显示器必须满足三个基本要求:能输出高清图像;体积相对较小;能够实现触控。从目前的技术水平来看, 液晶屏幕是最好的选择。在液晶屏幕将瞄准镜图像输出的同时, 还可以将火控计算机与液晶屏幕相连, 将火控计算机显示的参数输入屏幕中, 使射手操作火炮的行动更为方便快捷。为了直观反映出液晶屏幕替代传统观瞄装置的优势, 笔者做了相应的设计图, 如图1所示。

2.2 液晶屏幕数字变焦功能的作用

随着科技的发展, 液晶屏幕的功能已被不断的扩展。在这其中, 数字变焦功能便能够增强坦克远距离观察目标能力。实践证明, 坦克瞄准镜的观察能力并不是无限的。假如瞄准镜的观察极限是3000m, 那么4000m距离上的目标在画面上显示出来就会很小, 虽然能够看到但很难进行精准的观察和瞄准。此时, 数字变焦技术的强大功能便可以发挥出来。数字变焦功能, 实际上是画面的电子放大, 通过对画面像素使用“插值”处理手段进行放大, 虽然会使清晰度有一定程度的下降, 但是能够使距离较远、画面上显示较小的目标以更大的影像进行呈现。目前, 数字变焦一般在2、4、8、10 倍左右。假设炮手用坦克瞄准镜观察2500m距离上的坦克, 该坦克在画面中只有一枚一角钱硬币大小。但是经过2 倍数字变焦后, 该坦克在画面便呈现出一枚一元钱硬币的大小。但是随着数字变焦倍数的提高, 画面清晰度下降会越来越严重, 因此数字变焦功能实际上是牺牲画质强行放大画面, 所以应当尽量不在较大倍率状态下使用。为了更直观地展现数字变焦技术的优点, 笔者做了两张图片来进行对比, 如图2、图3。

3 利用硬盘录像技术存储战斗画面

3.1 便携式硬盘录像机的运用

硬盘录像机, 即数字视频录像机, 相对于传统的模拟视频录像机, 采用硬盘录像, 故称为硬盘录像机。其主要功能包括:监视功能、录像功能、回放功能等。其优点是体积小巧、造价便宜、容量较大、导入导出方便。笔者认为, 硬盘录像机的图像存储功能是数字化坦克利用电视成像技术的核心。如果将便携式硬盘录像机集成在火控计算机或液晶屏内, 高速球便可以通过视频线缆将图像实时存储在硬盘录像机内, 从而记录整个战斗过程, 就好比飞机上的黑匣子, 对于作战分析有着无可替代的作用。

3.2 战场画面实时存储功能对作战分析的重要意义

笔者认为通过硬盘录像机存储的战斗图像, 对于作战分析有着重要的意义。其一, 在战斗结束后, 坦克单车乘员可以通过硬盘录像机的回放功能, 在液晶屏幕上观看之前的战斗过程, 从而对之前作战中的敌我战术运用、射击操作中存在的差错等问题进行直观的分析, 连长还可以通过这些画面总结自己的指挥是否存在失误。通过这样直观的分析与总结, 便可以不断提高坦克单车的战斗力。其二, 指挥部可以将硬盘录像机的导出并在指挥部内播放整个战斗过程, 这样便可以对敌军的兵力兵器配置、战法战术运用、工事构筑方式、武器装备技术性能等进行全面的分析研究, 然后有针对性的调整作战部署、改变战斗决心、组织战斗协同等, 这对于提高部队整体战斗力有着非常重要的意义。最后, 我们可以预想, 当未来数字化坦克具备了强大的通信能力后, 我们甚至可以将硬盘录像机内的画面实时传递至指挥部, 使指挥部通过战斗画面实时获取整个战斗的进程, 方便指挥部更为迅速的调整战斗部署和作战方针。

3.3 硬盘录像机内存储介质的安全保密措施

硬盘录像机的作用无疑是巨大的, 但硬盘录像机也如同一把“双刃剑”。我们可以通过回放和导出存储的画面来分析敌军, 敌军同样可以在俘获我军坦克后导出战斗画面来分析我军。因此, 硬盘录像机内存储介质的安全保密尤为重要。笔者认为, 有三种办法可以有效地解决这个问题:第一是为硬盘录像机加装保密机;第二是为硬盘录像机内的存储介质加装特制软件, 没有软件便无法进行导入导出等操作;第三便是在硬盘录像机上安装一键销毁功能, 使敌人获取硬盘录像机完全无法恢复和使用。

4 结论

通过研究, 本文认为这个构想实现的基础是利用电视成像技术采集并将瞄准画面传输至触摸屏上, 并通过硬盘录像机存储战场画面。从目前的技术水平与发展趋势来看, 这个构想是完全可以实现的。

未来数字化坦克利用这种电视成像技术可以实现战场监视自动化、搜索瞄准目标触控化、打击目标精确化, 这样机械化与信息化高度融合, 不仅提高了坦克在射击操作时方便性, 更大大提高坦克的战场生存能力。

参考文献

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电视成像系统篇4

关键词：红外成像系统,微扫描,像素相关度

0 引言

红外成像技术以其较强的抗干扰、反隐身能力,以及较高的目标识别率和制导精度等优势,成为现代精确制导武器的核心技术。红外成像制导技术的关键在于红外目标的检测识别,从而要求红外成像系统具有较远的作用距离和较高的成像分辨力。提高红外成像系统分辨力的方法主要是增加成像探测器阵列的规模,减小探测器单元的几何尺寸,提高探测器阵列的占空比等,但这些都受到探测器制作材料和工艺水平的限制[1];而微扫描成像技术则可以在不改变单元尺寸和探测器阵列规模的条件下,通过减小有效的单元中心距而增加采样频率,减少图像的频率混叠效应[2],明显提高成像系统的分辨力。

1 微扫描成像技术

微扫描成像技术是一种对同一场景进行多次采样,按照成像模式将多幅相互之间有微小位移的时间序列低分辨率图像重建为一幅高分辨率图像的技术。微扫描成像技术根据微位移的产生途径不同可分为可控性微扫描和不可控性微扫描;根据驱动方式的不同可分为电机驱动微扫描和压电陶瓷驱动微扫描;根据成像模式不同可分为单次采样微扫描、2×2、3×3、4×4微扫描等[3]。图1为含可控性微扫描装置的红外成像系统示意图,与一般红外成像系统相比,主要区别在于增加了微扫描控制器以及相应附加的后续信号处理部分。

2 微扫描成像重建算法

欠采样频谱混淆是红外焦平面成像系统普遍存在、且难以避免的问题,低采样频率会直接导致成像的分辨率下降,边缘细节模糊,出现锯齿化现象。微扫描作为一种有效抑制欠采样频谱混淆的技术,能够很好地提高红外焦平面成像的分辨率,改善红外成像系统的成像质量,大大提高系统的性能[4]。在微扫描成像过程中,采样场景是不移动的,只是焦平面探测器相对固定场景产生微小的位移[5],根据微扫描的成像模式,以经过光学系统聚焦后产生的理想图像作为输入,通过实现相应的亚像素位移,获得同一场景的低分辨序列图像[6,7],进而由重建算法恢复成较高分辨率的图像。本文以2×2模式微扫描为例,重点研究微扫描成像的重建算法,如图2所示为2×2模式微扫描及重建过程示意图。

2.1 基于成像模式的直接重建算法

假设经过光学系统聚焦后产生的理想图像为o(i,j)(i,j=1,…,256),利用单元尺寸为2×2的128×128元探测器阵列按照图2中的扫描顺序,先在初始位置停留扫描,然后依次向右、向下、向左移动1个单元尺寸并进行相应的停留扫描,相应得到4幅低分辨率图像f(i,j)、g(i,j)、h(i,j)和k(i,j),(i,j=1,…,128),忽略微位移误差,根据上述的微扫描顺序直接对各低分辨图像像素进行组合重建,便可得到分辨率提高一倍的高分辨率图像P(i,j),(i,j=1,…,256),具体算法如式(1)所示。

2.2 基于像素相关度插值的重建算法

由于红外成像系统微扫描产生了一系列相关的低分辨图像,基于超分辨率重建(Super Resolution)的思想,利用各像素自身的相关度对第一帧低分辨率图像f进行加权插值重建[8],并结合剩余的三帧低分辨图像对其修正,得到最终的高分辨图像。

2.2.1 像素相关度

像素相关度是指像素自身与其邻域像素的相关程度,首先由式(2)求得低分辨图像中各像素与其邻域像素的平均灰度插值D(i,j),并对其作归一化处理;然后由式(3)得到各像素相关度。像素灰度差值越大,说明该像素与其邻域像素的相关程度越小,该像素为噪声点或者边缘点的可能性越大;相反,则说明该像素与邻域像素相关程度越大,属于同一类区域的可能性越大。

2.2.2 加权插值

将第一帧低分辨率图像f插值复制到高分辨图像P¢(256×256)的相应位置P′(i,j)(i=1,3,…,255;j=1,3,…,255),根据已有各像素的相关度,分三种情况对其进行加权插值:

1)行间插值

其中:i=1,3,…,255;j=2,4,…,254。

2)列间插值

其中:i=2,4,…,254;j=1,3,…,255。

3)对角双向插值

其中:i=2,4,…,254;j=2,4,…,254。

对于上述插值算法得到的高分辨率图像P′,其最右侧和最下侧的边界值P′(i,j)(i=1,2,…,256;j=256)和P′(i,j)(i=256;j=1,2,…,256)采取邻近赋值的方法得到。

2.2.3 对比修正

为了充分利用红外成像系统微扫描所产生的信息,将插值得到的准高分辨率图像分别与其他三帧低分辨图像进行对比修正[9],从而得到更为精确的高分辨率图像。下面以第二帧低分辨率图像为例进行说明:

如果|P′(2i-,12j)-g(i,j)|≤e,即微扫描得到点的像素与插值得到点的像素相差不大,微扫描误差较小,那么:

否则,微扫描则存在一定误差,该点为孤立噪声点的可能性较大,取两者的平均对其削弱:

误差阈值e的选取,对于修正的结果至关重要,实验证明,在此取像素的平均误差比较合适。

同理,将上面修正得到的高分辨率图像再分别与第三、第四帧低分辨率图像h和k进行对比修正,得到最终的高分辨率图像P。

3 仿真实验

为了验证上述算法的有效性,实验以仿真生成的理想红外图像作为红外成像微扫描系统的输入,图像大小为256×256,假设探测器占空比为100%,光敏元尺寸为2×2,利用图像像素处理法对2×2模式的微扫描进行模拟仿真。

由于真实红外成像微扫描系统图像的生成要受到温度以及探测器光敏元灵敏度等方面的影响,仿真实验中叠加了一定程度的高斯噪声(v=0.002)和椒盐噪声(d=0.005),以增加实验仿真的置信度。仿真图像如图3所示,可以看出,微扫描单次采样图像目标边缘模糊,存在明显的锯齿化现象,噪声影响严重;最近邻插值图像分辨率有所提高,但依然存在较为严重的锯齿化现象和噪声影响;基于成像模式的直接重建图像目标边缘较为清晰,锯齿化现象得到改善,但噪声并未减弱;而本文提出的基于像素相关度加权插值的重建图像目标边缘清晰,不仅消除了锯齿化现象,还抑制了噪声的影响,重建效果最好。

为了更客观地分析各种算法的重建效果,引入图像峰值信噪比RPSNR和均方误差eMSE两项重要指标[5],其定义式:

其中:f(i,j)表示源图像点灰度值,表示重建图像点灰度值。表1的实验数据显示,本文提出的基于像素相关度插值重建算法得到图像的RPSNR最大,表明图像的失真程度最小,与输入图像的相似度最大,从而证实了我们上面的主观评价。

4 结论

本文在介绍了红外成像系统微扫描技术及成像过程的基础上,重点对微扫描成像的重建算法进行了研究,提出了基于像素相关度插值的重建算法,并对其进行了实验仿真,结果表明新算法得到重建图像的峰值信噪比较基于成像模式的直接重建算法提高了1.82 dB,均方误差降低了34%,重建效果明显提高。

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红外成像系统仿真篇5

红外成像系统效应理论建模、成像仿真和性能评估是光电成像技术领域的重要研究内容,也是成像仿真领域的研究热点.红外注入式仿真试验因其不受环境限制、可重复和费用较低逐渐成为红外设备性能评估的一种重要手段.红外注入式仿真试验中数字红外图像作为信号源直接注入信息处理机,在仿真回路中缺少光学系统和探测器介入,所以需对红外成像系统效应进行仿真.而基于具体红外设备参数和实测数据支持的红外成像系统效应仿真,其仿真结果更有说服力.

1 红外成像系统效应仿真原理与过程

在仿真中红外成像系统可假定为线性、空间移不变系统[1].假设物空间场景物分布用i(x,y)来描述,由狄拉克δ函数“细分性质”,场景物分布可以细分成单个光点(δ函数)的加权叠加,即

$i (x, y) = \int_{- \infty}^{\infty} \int_{- \infty}^{\infty} i (x^{'}, y^{'}) δ (x - x^{'}) δ (y - y^{'}) d x^{'} d y^{'} (1)$

系统对理想点源δ函数的响应函数h(x,y)为系统的脉冲响应函数或点扩展函数.像函数用o(x,y)表示,对线性成像过程,应该满足叠加原理

$o (x, y) = \int_{- \infty}^{\infty} \int_{- \infty}^{\infty} i (x^{'}, y^{'}) h (x - x^{'}, y - y^{'})$

dx′dy′ (2)

根据卷积定义,式(2)中像函数正是场景物空间分布i(x,y)与h(x,y)函数的卷积.

o(x,y)=i(x,y)*h(x,y) (3)

所以合理建立系统成像过程中脉冲响应函数或点扩展函数模型,并通过合理叠加噪声,就可以得到一幅包含系统各组成部分效应的红外仿真图像[2].

2 红外系统效应仿真

外场性能评估一般不能获取系统的基本结构参数,但能获取均匀红外图像、信号传递函数SiTF和特定条件下技术指标等,这样就无法利用理论模型进行系统效应仿真.如何将系统的测量参量与成像仿真进行有效结合,且与外场特定条件下技术指标联系起来进行红外成像系统的仿真,并进一步预测成像系统的外场性能,是希望讨论的,红外成像系统仿真主要为光学系统效应仿真和探测器效应仿真.

2.1 光学系统效应

2.1.1 像差效应

实测红外图像经光学系统成像,受像差效应影响.由上知,输出图像为几何光学理想像和该视场角下光学系统点扩散函数卷积.不同视场角其传递函数不同,即使是同一视场角在弧矢方向和子午方向点扩散函数也不相同.但对于轴对称光学系统,其光学系统点扩散函数也是圆对称的,且点扩展函数对于几何像点也是轴对称的[1,2].图1是根据系统具体参数计算得到红外设备光学系统9个视场方向的点扩展函数图.

在应用中需将精确连续理论模型进行离散化,即把光学系统视场划分为若干个等晕区,在一个等晕区内点扩散函数可以由给定多个点来近似.由表1知点扩散函数取点越密,其仿真越精确,但耗时越长.所以根据红外场景复杂程度和探测器类型,可以采用不同的简化模型.

2.1.2 离焦效应

试验过程中存在调焦误差或目标物距发生变化但像面位置未变而导致的离焦.光学系统离焦效应导致目标成像能量弥散、图像分辨率下降,影响设备目标探测能力和作用距离.在离焦情况下,光点在像面上所成弥散像形状与孔径相似,可认为是一个弥散圆[3].假定每个点强度均匀分布在半径为R的圆面内,则点扩展函数为

$h (x_{i}, y_{i}) = \frac{1}{π R^{2}} (4)$

根据实测目标航迹、系统具体参数和目标几何成像过程可以求得R为

$R = \frac{D d_{z}}{2 d_{s}} (5)$

2.2 探测器效应

2.2.1 空间积分效应

一般目标模型数字图像像素规模较大,如进行缩放后使用点扩展函数进行处理明显多余.以C/D/C分析模型为基础,采用像素处理方法直接在空间域进行仿真,依据探测器像元间距和光敏尺寸所对应场景像素数目进行空间采样和辐射积分平均.图2给出某具体参数下不同距离飞机采样图像.

2.2.2 噪声仿真

1990年前后美国陆军夜视与电子传感器管理局提出了三维噪声模型,将噪声置于一个三维坐标系中(时间轴、垂直轴及水平轴)来考察噪声大小.模型中:图像数据用一个全程常数和7种特色噪声综合组成[4].用U(t,v,h)代表t帧v行h列的输出,信号和噪声单位都是‘灰度’,有

U(t,v,h)=S+Nt+Nv+Nh+Ntv+Nth+Nvh+Ntvh (6)

S为观察均匀背景时各个单元输出的均值,S项后7个噪声项随时间、空间波动,它们均值为0,均方根为σ.系统总噪声为

$σ_{s y s} = \sqrt{σ_{t}^{2} + σ_{t v}^{2} + σ_{t h}^{2} + σ_{t v h}^{2} + σ_{v}^{2} + σ_{h}^{2} + σ_{v h}^{2}} (7)$

红外成像系统各个噪声分量均方根、系统信号传递函数SiTF(灰度/K)和等效温差满足式(8)[4,5].

$σ Ν E Τ D = \frac{σ}{S i Τ F} (8)$

不同红外成像系统,其三维噪声分量与其系统工作方式相关.对特定设备其σtvh是一个相对固定值,通过设备固有参数和式(8)可以计算得到σtvh.而根据设备情况、使用环境和噪声模型可以估计其他噪声分量大小;也可以结合试验前实测数据进行噪声测量,确定各个噪声关系进行系统噪声仿真.

3 图像仿真

取目标距离5 km、σtvh为3.5个灰度、中等噪声、填充因子0.9,结合红外系统具体参数,基于已有试验数据和模型默认参数进行红外图像仿真[5,6],仿真图像如图3所示.

由图3知,红外图像目标受光学系统像差、离焦效应和探测器空间采样效应的影响,在目标区边缘存在灰度缓慢变化和模糊.红外图像噪声分量由于有实际数据规范不再是简单不相关的随机分布,而是接近实际情况并呈现一定纹理分布,整个红外图像仿真取得了较好效果.

4 结束语

依据数学仿真思路结合已有红外图像数据,探讨了联系红外成像系统测量参量的红外成像系统效应仿真方法.通过设备精确参数和航迹数据进行红外成像系统光学效应仿真;试验前在红外成像系统前放置均匀背景目标,提取红外成像系统各个噪声分量,确定需要仿真的各个噪声分量与时间行列噪声相应关系,然后结合系统固有参数、设备状态和环境情况完成系统噪声仿真,其仿真结果因为有试验和实测数据的介入而更有说服力.通过外场试验和内场仿真试验相互验证和结合,可以更好地进行红外成像系统的性能评估.

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偏振光谱成像目标识别系统篇6

传统目标识别中采用的图像识别[1]受环境光、目标光等影响较为明显,对于伪装目标或者颜色相似的目标难以区分[2]。而偏振成像技术是通过偏振光区分目标与背景,由于非合作目标的退偏振能力通常较强,故识别目标的效果就会很好。在此基础上,将不同偏振角得到的图像融合到一起,就能获得信噪比很高的目标图像。

偏振光谱目标识别技术主要有光栅型、傅里叶变换型、液晶调制型和声光调制型[3,4,5]。其中,光栅型的核心元件是偏振光栅,其结构简单、光谱分辨率高,但光栅对光存在一定的限制,光通量小,户外测试效果不佳[6,7]。傅里叶变换型的核心部件是傅里叶变换干涉仪,通过加入可变相位延迟器实现对不同偏振角的二维图像的采集,由于每次只能获取一个偏振角的二维图像,所以扫描时间长,如果光谱扫描也采用时间扫描则速度更慢[8]。液晶调制型的核心器件是晶体、电调制器以及步进电机,通过选择不同的窄带滤光片实现不同波长的调制,其缺点也是速度慢且机械部件的稳定性差[9]。声光调制型的核心部件是声光晶体,其工作原理与电调制相近,优点是体积小、无机械部件,但光谱分辨率较差[10]。

1 目标识别系统

目标识别系统如图1所示,系统组成包括前置光学系统、分光棱镜、起偏器、沃拉斯顿棱镜组、检偏器、成像CCD1、静态干涉具、聚焦透镜及成像CCD2。光入射系统后,由分光棱镜分为两部分,一部分进入偏振系统,另一部分进入光谱系统。偏振系统获取的图像具有偏振信息,同样,光谱系统获取的图像具有光谱信息。再将偏振数据与光谱数据进行图像融合处理,最终得到目标的偏振光谱合成图像。

1.1 偏振数据获取

由斯托克斯参量法[11]完成目标区域偏振角的计算,斯托克斯矢量可表示为S1、S2、S3、S4。则其矢量有:

式中,I表示光强,Q和U分别表示偏振分量,V表示圆偏振分量。

目标光进入沃拉斯顿棱镜组后,光的偏振态被重新分布,其偏振态对应的穆勒矩阵可以写成:

式中,Sd表示CCD1对应的斯托克斯矢量,St表示目标方向斯托克斯矢量,M表示系统的光学穆勒矩阵。

1.2 光谱数据获取

光谱数据获取利用傅里叶变换干涉具实现,M1、M2都是反射面,而M2具有一个角度α,则其干涉具有空间分布性。

如图2的三角函数关系可知,光线1入射A点,经反射至B点,透射至C点,最终与光线2相干形成干涉条纹,光程为:

故光程差为:

由于α很小,则cos2α≈1,则有:

式中,n为晶体折射率,x′为任意位置。

光谱分辨率为:

式中xm′表示成像尺寸。

通过以上计算得到光谱分辨率为△λ的光谱图像,并成像在CCD2上。此图像与偏振系统获得的偏振图像进行图像融合获得清晰的目标图像。

2 实验

2.1 探测条件

实验选择2.0 m×2.0 m钢板(涂军绿漆)和某型火炮作为目标,测试距离从0.1 km~2.0 km,而测试标定波长为0.40μm~0.90μm。

2.2 测试结果分析

采用偏振系统的信噪比明显优于非偏振系统,同时偏振系统受距离的干扰也小很多。所以,偏振系统可以在较大范围内保持较高的信噪比。与此同时,标准钢板的信噪比要比火炮高很多,因为标准钢板实际上是一个很好的偏振光反射面,火炮的表面相对要差一些,将整个范围内的数据进行数据拟合可以得到其整体分布,如图3所示。2个目标的信噪比都会由于距离的增大而减小,但2.0 km内偏振系统的信噪比均值在0.35左右,具有较高检出性;而非偏振型超过0.4 km后几乎无法识别。

2.3 偏振光谱图像融合

将偏振系统的偏振图像与光谱系统的光谱图像进行融合处理,即可获得偏振光谱合成图像,如图4所示。图4(a)的图像结果是由传统可见光识别系统得到的光强灰度图像,而图4(b)是由本系统将偏振图像与光谱图像融合后得到的合成图像。采用偏振光谱成像技术的目标信噪比得到了大幅提升。目标光信号与背景噪声光的振幅比明显,具有很好的识别效果。测试过程中,随着距离的增大,光强型的识别图像渐渐地淹没在噪声中,而采用偏振光谱型在2.0 km内,合成图像基本保持一致,具有较高的鲁棒性。

3 结论

本文研发了一种可以用于户外的目标识别系统,该系统具有偏振识别模块和光谱识别模块两大部分,可以同时获取并进行处理。在图像融合的基础上,获得目标的合成图像,该图像具有信噪比高、受距离影响小等优势,在户外实时目标识别领域具有一定的实用价值。

摘要：设计了高光通量的光学天线、偏振模块及干涉模块的目标识别系统。通过偏振光谱成像技术,在同一视场内同时获取多个偏振方向的光谱图像,再通过图像融合算法重建目标的偏振光谱图像。在不同距离上对钢板及某型火炮进行测试,分别采用本系统与传统非偏振系统获取目标信号。结果显示,基于偏振光谱的目标识别系统信噪比高、探测距离远,与传统方法相比,本系统的目标合成图像清晰可见,抗干扰性更高,具有很高的野外适应性及稳定性。

关键词：目标识别,偏振,图像融合,高信噪比

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电视成像系统篇7

关键词：超声,弹性成像,实时,光流算法

人类对组织弹性和组织病理状况的相关性有着历史悠久的认识。近年来,数字信号处理技术在硬件和算法方面的不断进步已成为一种趋势,在这种趋势支持下,超声弹性成像日渐成为一种可以无创地探测组织弹性分布模式,从而可能提供一种新的组织病变如癌症的临床检测手段。弹性成像的概念最初由Ophir等人于1991年提出[1],它的基本原理是:人体内不同类型的组织的弹性不同,在外力的作用下,通常较硬的组织比较软的组织发生的形变和位移较小。在外力施加或释放过程中,通过采集感兴趣区域(ROI)不同时间片段的信号进行分析,计算得出组织当时的形变信息以确定组织硬度。弹性图像可通过多种模式获取,如超声波、光学、以及MRI图像等等。其中超声弹性成像技术由于在多个器官和组织,如乳腺、肝脏和前列腺的广泛研究而得到较多的关注[2]。

1 国产超声成像系统不具备弹性成像功能

过去的20年来,超声弹性成像技术因其可揭示组织弹性分布的特点,越来越受到医学和工程界的重视。概要来讲,超声弹性成像可涉及压力施加、组织变形检测、组织应变计算和组织弹性重建四个环节,而以成像为目的大部分现有的超声弹性成像技术以组织变形检测为核心。至于压力施加环节,临床上一般采用手持探头施压的扫描方式,取代早期的程序控制步进马达的超声探头移动方式。在组织受到压力发生变形之后,不同弹性的局部,其相应的变形程度和应变有相应区别,通过对超声射频(RF)数据的运动跟踪分析,可以估算得知组织各局部的受压变形程度。较为主流的方法有基于1D或2D的互相关跟踪技术如Siemens ACUSON S2000、基于块匹配(Block Matching)[3]跟踪技术和基于复合自相关(Combined Autocorrelation)[4]技术,如HITACHI EUB8500。在现有的弹性成像技术中,主要存在下列待进一步完善的问题:

第一,弹性成像对比度与和施压前后的射频信号连续性之间的平衡问题。通常,为保持压缩前后信号高度相关(即信号连续性)并控制噪音水平,施压不可过大,但是,形变过小可导致所生成的图像欠缺对比度;其中,该对比度指示在所感兴趣的区域内,不同硬度组织在形变图像中的亮度区别。因此,由于需要更加优化的不同组织部分的视觉效果,最好得到较高的对比度。

第二,更为准确的组织受压变形模型和实时处理要求之间的平衡问题。理论上希望组织受压变形只发生在超声轴向,其他两个正交方向上的运动是忽略的,而实际上在手持探头扫描时,其他两个方向的组织移动和变形是不可避免的,而这些移动或变形都会影响超声射频信号跟踪的相关性退化。若采用复杂的位移模型并基于二维超声信号来完全求解不同方向上的形变将导致计算量的迅速增加,而使得算法的实时性在现有硬件条件下难以达到要求。

第三,在基于组织位移或者变形估算结果的基础上计算组织应变时,还需要在保证感兴趣区的图像边缘不被钝化、不产生伪迹的算法设计要求,以及尽可能保证应变图像的平滑度要求之间取得平衡。

我们认为正是由于以上主要原因及其他技术实现上的难题,使得之前尚无国产超声影像设备可以包含有超声弹性成像这一重要功能模块。

2 组织弹性成像功能的算法设计

我们自主研发设计了一种由粗到细的二维组织运动估计算法,以计算组织受压后超声射频信号中的位置变化量,并从而估算出组织应变图像。

具体而言,如图1所示,以两帧连续的射频图像为例,首先在粗估计环节采用具有鲁棒性的块匹配算法并采用全局搜索以保证此环节计算结果的准确性,然后根据其位移估计得到的结果来对其中一帧进行曲变(Warping)生成新的帧,从而大大提高调整后的两射频帧之间的信号相关性,此时在细估计阶段采用密集光流方法,Lucas-Kanade光流方法[5](LKOF)对调整后的两幅射频帧之间的轴向和横向上的具有亚像素精度的位移进行细估计,之后合并两阶段的估计值,如有需要,可进一步迭代以上估计——曲变——估计循环,使得两射频帧之间的信号相关性越来越高。

在得到帧间组织运动的估计场之后,我们进一步采用各向异性扩散(Anisotropic Diffusion)[6]的方法对组织运动估计场进行差分平滑计算,得到组织应变场估计图。这种扩散方法的实质在于在t到t+Δt时段在指定点(i,j)的邻域展开处理。

下标N、S、E和W分别表示像素周围的北南东西,符号表示在其下标所示方向上最邻近梯度,其他系数由下式给出。

其中选择为

在迭代进行过程中,高梯度项权重将大大高于低梯度项的输出权重,因此通过调整参数,可保留感兴趣的图像边界区域内容同时平滑其他较为缺乏变化的图像内容。

为检验上述算法,我们采用了一种乳房超声仿体(型号CIRS 047,Norfolk,VA,美国),自顶端用手持SIUI超声传感器L7L38B(7.5MHz)对仿体进行了轻压,采集的射频帧信号、粗估计、细估计和应变估计等各环节的结果如图2所示。

(a)-(f)依次为第一帧射频数据、第二帧射频数据、粗估计的组织运动分布、细估计的组织运动分布、一次合并后的组织运动分布和应变分布图。

3 在汕头超声SIUI 8800上实现的实时超声弹性成像功能

在CTS-8800实时超声弹性成像时使用的是7.5MHz L7L38B线性超声探头。根据被测部位的位置选择合适的采样深度以及感兴趣区域。当超声探头采集完B型超声的RF数据后,实时成像生成B型超声图像用于显示,同时用当前帧和上一帧感兴趣区域内的RF数据采用前述方法进行弹性成像计算。

在显示环节,为了更直观地表示出组织的软硬程度,比平均硬度软的使用红色表示,比平均硬度硬的使用绿色表示,使用上述自定义伪彩色表示组织的软硬度对计算区域成像,再将成像区域与灰度的B型超声图像的部位匹配重叠,可以根据操作者习惯或者的需要选择不同的透明度。最后在界面上将普通的B型超声图像、弹性成像计算结果图像和按压指示条以及感兴趣区域框显示出来,在CTS-8800系统中左边表示弹性成像结果,右边表示普通的B型超声图像。整个计算和应变图像显示的流程和示例如图3所示。

4 总结和展望

在原有的汕头超声CTS-8800系统硬件设计未做改动的情况下,我们通过改动部分硬件驱动和软件,大大减低超声弹性成像仪器的生产成本,在中国制造的超声设备上首次配备弹性成像功能,使以前只有在国外高端设备上才有的功能在国内的普通超声设备上得到实现,让更多患者可享受到最先进的医用超声波技术,该成就也是大学实验室和医疗器械业界成功合作的一个例子。

参考文献

[1]J.Ophir,I.Cèspedes,H.Ponnekanti,et al.Elastography:a quantitative method for imaging the elasticity of biological tissues[J].Ultrason Imaging,1991,(13):111-134.

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[5]B.D.Lucas,T.Kanade.An iterative image registration technique with an application to stereo vision[C].Proceedings of Imaging Understanding Workshop,1981:121-130.

基于地磁成像的管线探测系统篇8

地球表面附近存在着由地球自身产生的磁场, 称为原生磁场[1]。在原生磁场中存在着随机脉冲信号。而随机脉冲信号的产生与地球周围的放电活动有关, 如赤道附近的滚雷闪电、人为的电扰动等[2]。这些随机脉冲信号处于音频频带范围内, 存在于原生磁场的垂直分量中[3,4]。此外, 地球自身的放电活动会在地表下埋藏的导电性较高的地质体内形成涡流, 进而产生二次感生磁场, 称为次生磁场[5,6]。当原生磁场中的随机脉冲信号与次生磁场相互作用时, 随机磁场脉冲信号的能量就会传递给次生磁场, 从而产生次生磁场脉冲信号。如果原生磁场和次生磁场所产生的脉冲信号相互叠加, 那么存在于地表的磁场垂直分量的能量就会增大。

对地表天然磁场的研究始于20世纪60年代, 自美国加利福尼亚大学伯克利分校的LABSON V F等教授在国际上公开发表关于音频范围内天然地磁场理论研究的文献之后, 在上世纪七、八十年代, 美国的JACKSON J R、DAVID H等一批学者也开始了这方面的研究, 并不断有相关文献和应用专利推出。在国内, 对于天然地磁场的研究起步较晚, 武汉大学、中国地质大学、中国石油大学等在近几年陆续展开了相关领域的研究。

若以介质各项同性的均匀地层中地表磁场脉冲信号强度为基数, 当地层中存在金属管线时, 该区域地层电导率增加, 使得地表次生磁场脉冲信号强度增大, 相对于均匀地层处, 单位时间内沿地表垂直方向产生的磁场脉冲数量更多;当地层中存在非金属管线时, 由于非金属管线及管线中的空气等低电导率介质会影响地层电导率的分布, 使得该区域地层总电导率下降, 进而使地表次生磁场脉冲信号强度减小, 相对于均匀地层处, 在单位时间内沿地表垂直方向产生的磁场脉冲数量就会减少[7,8]。因此, 存在于地表垂直方向上的磁场脉冲信号强度与地层内介质的电导率分布情况有关。本文依据麦克斯韦电磁场原理提出了一种基于地磁成像的管线探测系统, 通过测量地表垂直方向上磁场脉冲信号强度, 对地下埋藏的金属和非金属管线进行定性探测。

1建模原理及方案

1.1 建模原理

依据金属介质可使地表磁场脉冲信号强度增强、非金属介质可使地表磁场脉冲信号强度减弱的原理[9], 通过测量地表磁场脉冲信号中的磁分量, 可以得到地表上方垂直方向的磁场脉冲信号强度, 将其与参考值 (介质各项同性的均匀地层地表上方磁场脉冲信号强度) 对比, 从而判断地下介质的性质。

1.2 建模步骤

依据麦克斯韦电磁场理论中的电磁感应原理建立模型, 建模过程如图1所示。首先, 利用天线采集地表磁场中脉冲信号的垂直分量;其次, 对比所测量的地表磁场脉冲信号垂直分量的脉冲强度与介质各向同性的均匀地层地表上方磁场脉冲信号垂直分量的脉冲强度;最后, 对地下介质的性质作出判断。

从图1可看出, 管线探测系统主要由天线、缓冲放大器、带通滤波器、电平检测电路、计算机5个部分组成。各部分的功能如下:

(1) 天线:包含磁阻传感器和放大电路, 主要用来探测地表磁场垂直方向上的脉冲信号;

(2) 缓冲放大器:对天线所探测到的地表磁场垂直方向上的脉冲信号进行放大;

(3) 带通滤波器:由1个高通滤波器、1个低通滤波器和放大器组成, 在音频频带内对放大后的地表磁场垂直方向上的脉冲信号进行滤波;

(4) 电平检测电路:对比输入信号电压与参考信号电压的大小, 当输入电压大于参考电压时输出一个脉冲信号;

(5) 计算机:利用计算机软件对输入的脉冲信号进行处理并成像。

首先, 通过在探测区域的地面上方水平移动天线, 从而探测出该区域地表上方由地表磁场产生的脉冲信号的垂直分量并输出电压信号, 经缓冲放大器放大后, 由带通滤波器进行滤波处理。带通滤波器的带宽范围在音频频率范围内 (65～12 000 Hz) 。然后, 脉冲信号经滤波后再通过电平检测电路与参考电压进行对比。当输入的脉冲信号电压大于参考电压时, 该电路输出一个正脉冲;当输入的脉冲信号电压小于参考电压时, 电路输出一个负脉冲。通过对介质各项同性的均匀地层处进行测量, 可以得到均匀地层情况下地磁脉冲信号强度, 将该强度作为电平检测电路的基准值。最后, 将电平检测电路产生的脉冲信号输入计算机进行处理并得到三维成像, 从而以曲面图的形式直观地反映出被测区域地下介质的信息。

2系统软硬件设计

2.1 天线

图2为系统天线部分的电路。其中磁阻传感器用来检测地表上方脉冲信号的垂直分量并输出测量信号, 通过外设电容器滤除测量信号中的直流成分。最后, 将信号中的交流成分通过放大电路放大。

2.2 主机

通过天线探测到的磁场脉冲信号经缓冲放大器放大之后, 输入到带通滤波器。带通滤波器中的高通滤波器由2个有源滤波器芯片组成, 而低通滤波器则是由1个有源滤波器芯片构成。磁场脉冲信号经带通滤波器滤波后通过音频放大器再次放大, 并输入电平检测电路。电平检测电路通过电压比较器实现, 它用来将音频放大器放大后的磁场脉冲信号输出电压与参考电压进行比较。最后将电平检测电路处理后的脉冲信号输入计算机进行处理。由于篇幅所限, 具体主机电路图不再给出。

2.3 软件

利用计算机软件对脉冲信号进行处理, 可以得到反映被测区域上方脉冲信号密度分布的三维图象。根据对地下均匀土壤介质区域探测时所得到脉冲强度预设一个均值, 在三维图象中显示为较平坦的区域。在探测过程中, 如果地下介质的电导率发生了改变, 那么探测系统所测的磁场脉冲信号强度就会发生变化, 在三维图象中显示为曲面的突起或凹陷。通过对脉冲信号强度分布的三维图象定性分析, 可以判断该区域地下有无被测物体目标。

3应用实例与分析

3.1 地表管线探测

利用大庆油田某油井现场进行实验, 以此来验证模型的精确性。图3为对一根裸露在地表的已知金属管线的探测成像。从图3可看出, 由于管线为金属介质, 因而产生的磁场脉冲信号强度明显高于周围介质, 图中显示为曲面的异常突起。

3.2 地下管线探测

3.2.1 地下已知管线探测

对于地下已知管线的探测, 本文选取一根埋藏于地下约2 m深的金属管线进行实验, 其探测成像如图4所示。从图4可看出, 突起处为该金属管线,

其磁异常信号强度明显高于周围介质。

3.2.2 地下未知管线探测

对于地下未知管线的探测, 本文选取大庆油田某井场附近疑似存在地下管线、但对管线具体走向及埋藏深度都未知的区域进行探测实验。图5为对地下未知管线的探测成像。从图5可看出, 存在2处磁场脉冲信号强度异常区域, 即曲面突起处和凹陷处, 由于这两处的磁场脉冲信号强度与周围土壤介质所产生的磁场脉冲信号强度明显不同, 因此可以确定这2处区域各存在一根管线。因为受到非金属介质影响, 使得磁场脉冲信号强度明显低于周围介质所产生的磁场脉冲信号的强度, 根据图5 (a) 可以确定曲面左上角凹陷处存在一根非金属管线;由于受到金属介质的影响, 使得磁场脉冲信号明显高于周围介质, 根据图5 (a) 可确定曲面右下角突起处存在一条金属管线。其它区域曲面较为平坦, 幅度变化不大, 无明显异常, 可判断为均匀土壤介质。

3.3 误差分析

选定科学的误差指标, 对评定探测效果有着十分重要的意义。本文选用式 (1) 中的平均绝对百分误差, 即MAPE作为性能指标:

undefined

式中:M为管线各项参数探测次数;ri 为管线各项参数实际值;fi 为管线各项参数探测值。

在实际探测过程中, 由于受到外界因素的影响, 管线探测系统必然存在一定的误差。利用管线探测系统对地下已知管线探测的MAPE为2.66%;对地下未知管线探测的MAPE为3.33%。产生误差的原因主要包括: (1) 地磁信号较弱, 在测量过程中人体及周围环境 (如高压线、手机等) 对地磁信号有一定的干扰; (2) 在探测过程中管线探测系统的天线是人为操作的, 易受人为因素影响, 在扫描速度上很难保证绝对匀速; (3) 在地下管线较多的情况下探测时, 由于磁场来源较多, 可能产生相互干扰。

针对以上影响因素, 在探测系统使用过程中应尽量避免周围环境对系统的影响。同时, 在探测区地表磁场脉冲信号采集过程中应保证测量人员的专业化, 避免人为因素造成的测量误差。另外, 在地下管线较多的情况下要采取反复测量、比较的方法, 并结合当地地质情况的相关数据材料一同分析, 从而提高探测的精确度。

4结语

基于地磁成像的管线探测系统可以实现对地下各种管线、矿藏、堆积砂矿、地下异常等的探测, 对隧道、洞穴、污水池和下水管道的探测深度可以达到60 m。该系统不仅可以防止普通探地雷达因大功率发射信号对人体的影响, 也不易受外部环境的干扰, 与普通探地雷达相比具有适用范围广、抗干扰能力强、图象容易分析共享等特点。

摘要：为了精确探测埋藏在地下的各种管线, 提出了基于地磁成像的管线探测系统。该系统将采集到的地表磁场垂直分量的脉冲信号强度与介质各向同性的均匀地层中地表上方磁场垂直分量的脉冲信号强度进行对比, 利用对比后的数据形成反映被测区域上方脉冲信号强弱分布的三维图象, 从而对地下介质的性质作出判断。测试结果表明, 该系统对地下已知管线探测的MAPE为2.66%, 对地下未知管线探测的MAPE为3.33%, 提高了同类探测的精度, 对地下各种管线的探测行之有效。

关键词：地下管线探测,电磁场,地磁成像,磁场脉冲信号

参考文献

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