Методы увеличения пространственного разрешения фасеточных оптико-электронных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы увеличения пространственного разрешения фасеточных оптико-электронных систем

В.А. Соломатин

Московский Государственный Университет геодезии и картографии

Рассматриваются принципы построения фасеточных оптико-электронных систем и их пространственное разрешение.

В фасеточных оптико-электронных системах используется принцип построения глаз насекомых, состоящих из множества отдельных оптических каналов (фасеток), охватывающих широкое угловое поле, вплоть до полусферы. Прямые технические аналоги фасеточного глаза , реализованные с использованием микролинзовых оптических систем имеют, как и собственно фасеточный глаз, ограниченное пространственное разрешение из-за малости фокусного расстояния микролинз [ 1 ].

Существенно увеличить пространственное разрешение фасеточных оптико-электронных систем позволяет использование многоэлементных приемников излучения, расположенных в фокальной плоскости сравнительно длиннофокусных объективов (фокальных матриц), угловые поля которых перекрываются и в совокупности охватывают широкое угловое пространство. Такие системы называют мономатричными фасеточными системами (в каждом оптическом канале расположена одна матрица). Одной из первых разработок такого типа стала система военного назначения, служащая для поиска, слежения и распознавания угроз, реализованная в проекте IRST(Infrared Search and Track) [ 2 ]. В проекте, получившем название «Купол» («The Cupola»), угловое поле перекрывается выстроенными по окружности девятью объективами, работающими в спектральном диапазоне 3-5 мкм, и девятью объективами, работающими в диапазоне 8-12 мкм (рис.3). Каждый отдельный объектив имеет угловое поле 200x200 и сопряжен с фокальной матрицей многоэлементных приемников излучения. В каналах 3-5 мкм использованы матрицы 1024x1024 элементов, обеспечивающие пространственное разрешение 0,34 мрад. В каналах 8-12 мкм - матрицы с числом элементов 512x512, дающие разрешение 0,62 мрад. Аналогом системы «Купол» является более ранняя отечественная разработка [ 3 ]. оптический фасетка электронный

В университете штата Алабама в Хантсвилле США совместно с компанией Sony в 2007 г. разработана широкоугольная камера, оптическая система которой состоит из 271 объективов, расположенных через определенный угол и занимающих в совокупности участок сферы (конструкция напоминает кухонный дуршлак) [ 4 ]. В фокальной плоскости объективов располагаются матрицы приемников излучения. Камера предназначена для спутникового наблюдения и аэровидеосъемки. Пространственное разрешение камеры измеряется гигапикселами, частота обновления изображения - 4 кадра в секунду. При съемке с высоты 7,5 км охватывается площадь 10х10 км2 при разрешении 0,5 м на пиксель. Это соответствует полю обзора примерно 76,50 и угловому разрешению 13,3”. На один канал приходится порядка 3,7 мегапиксел. Разработчики камеры предполагают, что она с успехом может использоваться, например, для наблюдения за перемещением транспортных средств в пределах крупного города.

В 2009г.появилось сообщение о создании учеными из Южного Методистского университета (Southern Methodist University) в США фасеточной системы Panoptes, которая позволяет получать изображение с использованием массива недорогих и компактных камер небольшого разрешения [ 5 ]. Разработка планируется к использованию в нашлемных камерах для солдат (рис. 1 ) .Особенностью системы является изменяемое поле зрения. Направление визирования может изменяться с помощью поворотного зеркала, с помощью которого оператор может направить большинство камер на интересующий его объект, при этом пространственное разрешение в заданном направлении увеличивается, а остальная часть изображения будет менее детальной. Фасеточные камеры имеют толщину 5 мм и расположены на шлеме в виде кольца. В современных разработках сразу нескольких научных лабораторий в качестве фасеток используются камеры мобильных телефонов или подобные им миниатюрные камеры.

Рис.1.Нашлемная фасеточная камера

Такой подход к проектированию фасеточных оптико-электронных систем позволяет создавать дешевые , сравнительно простые по конструкции системы, которые могут использоваться для видеонаблюдения, проведения видеоконференций, создания видеоигр. Примером такого рода разработки является устройство, созданное в научных лабораториях EPFL (Йcole polytechnique fйdйrale de Lausanne, Швейцария [ 6 ]. Конструкция этого устройства ( рис. 2) содержит более ста видеокамер, размещенных в полусферическом корпусе, размером около 10 см. Пользователь может получать как панорамное изображение, так и его фрагмент в пределах полусферического углового поля

Рис.2.Конструкция панорамной видеокамеры

Получение полной сферической панорамы имеет известные трудности : опора, на которой находится камера, перекрывает часть панорамы. Японскими инженерами предложено весьма остроумное решение, позволяющее получать сферическую панораму - подкидная камера в виде мяча (ballcamera) [ 7 ]. В конструкции использованы 36 фасеток - камер от мобильных телефонов ( рис.3), размещенных в крепком пластиковом корпусе .Устройство подбрасывается вверх, и в самой высокой точке полета , когда оно на мгновение неподвижно, производится съемка. Для определения момента съемки в конструкцию системы включен акселерометр, измеряющий ускорение. Диаметр шара составляет около 11см, вес - 300 грамм.

Рис.3. Подкидная видеокамера

Для увеличения объема получаемой информации и пространственного разрешения в мультиматричных фасеточных системах используется массив матриц . Расположить матрицы непосредственно в фокальной плоскости объектива не представляется возможным из-за неизбежных промежутков между ними, следствием которых будут пропуски значительных фрагментов изображения. Решения этой проблемы предложили разработчики фотокамера AWARE-2 [ 8 ]. В системе AWARE-2 первичное изображение строится с помощью объектива , выполненного в виде линзы-шара (рис. 4 ). Изображение, создаваемое объективом, располагается на сферической поверхности , радиус кривизны которой равен фокусному расстоянию объектива.

Рис.4.Схема камеры AWARE - 2.

В AWARE-2 объектив изготовлен из кварцевого стекла и имеет фокусное расстояние, равное 77.256 мм. По сферической поверхности ( поверхности изображения) распределены 226 микрокамер, В системе AWARE-2 ,охватывающих ?120?^о по азимуту и ?50?^о по углу места. Микрокамеры закреплены в алюминиевом корпусе таким образом, чтобы их оптические оси сходились в центре кривизны поверхности линзы-шара. Микрокамеры снабжены собственными объективами с фокусным расстоянием , равным 11.68 мм В пространстве объектов (на входе системы) каждая микрокамера занимает угловое поле ?9.2?^о . В качестве приемников излучения используются CMOS -матрицы с числом элементов 4384х3288 и размером пикселей 1.4 мкм. Общая разрешающая способность AWARE-2 составляет около 1 гигапикселей. Результирующее черно-белое изображение формируется «сшивкой» отдельных кадров, что занимает 18 секунд. Габариты системы составляют 760х760х510 мм , причем 97% объема занимают электронные блоки, и лишь 3% - оптическая система. Система AWARE-2 весит 45 кг. Таким образом, фасеточный принцип построения реализуется в AWARE-2 по отношению к изображению, «рассматриваемому» фасетками наподобие окуляра в телескопах. Угловые поля микрокамер , очевидно, перекрываются, сто и позволяет осуществлять «сшивку» кадров.

Важнейшим и наиболее перспективным направлением разработок таких систем являются системы видеонаблюдения, позволяющие получить широкую полосу обзора с высоким разрешением. Одна мультиматричная система способна заменить множество распределенных видеокамер, при этом требования к инфраструктуре системы видеонаблюдения значительно снижаются (проводка кабеля, обслуживание и т.д). Преимуществом мультиматричных видеосистем является непрерывная запись изображения с высоким пространственным разрешением. Однако, угловое поле мультиматричной фасеточной системы определяется входной оптической системой, создающей первичное изображение, и в случае использования одиночного объектива угловое поле вновь получает известные ограничения (определяется угловым полем входного объектива). Для увеличения углового поля входная оптическая система может содержать несколько объективов с перекрывающимися угловыми полями, то есть быть фасеточной. В таких системах фасеточный принцип реализуется , таким образом , дважды: в пространстве предметов и в пространстве изображений. Специалистами BAE Systems и широко разрекламирована фасеточная система видеонаблюдения ARGUS-IS, обладающая почти 2 гигапиксельным разрешением [ 9 ]. Оптическая схема и детали конструкции разработчиками не описываются, однако известно, что ARGUS-IS содержит 368 микрокамер по 5 мегапикселей, используемых в сотовых телефонах. В системе используется 4 телескопических объектива. Можно предположить, что и в ARGUS-IS используется фасеточная система, работающая в пространстве изображений, создаваемых телеобъективами. Система ARGUS-IS обеспечивает пространственное разрешение 15 см с высоты 5.3 км, при этом камера охватывает территорию 25 км2 . Система будет использоваться на беспилотных летательных аппаратах Boeing A160 Hummingbird.

Отметим , что заказчиком на проведение работ по созданию систем Panoptes, AWARE-2 и ARGUS-IS является Управление перспективных исследований Министерства обороны США ( DAPRA) , что указывает на несомненный интерес к разработкам фасеточных оптико-электронных систем со стороны военного ведомства .Названия проектов ARGUS и Panoptes красноречивы: в древнегреческой мифологии Амргус , прозванный Паноптес, то есть всевидящий -- многоглазый великан.

Таким образом, обзор разработок фасеточных оптико-электронных систем показывает, что их развитие идет по двум направлениям: создание микрооптических аналогов фасеточного глаза и разработка технических систем панорамного обзора со сверхвысокой разрешающей способностью. Использование фотоматриц с числом пикселей порядка?10?^7и разработка эффективных цифровых технологий «сшивки» изображений позволяет получить разрешающую способность порядка ?10?^'' в широком угловом поле , приближающемся к полусфере. В ряде конструкций фасеточных систем широко используются стандартные комплектующие изделия в виде микрокамер сотовых телефонов, что позволяет создавать сравнительно дешевые устройства, рассчитанные на массового потребителя. В то же время создаются и уникальные системы видеонаблюдения и контроля с числом элементов дискретизации поля обзора порядка 10 гигапикселей , в которых реализуется принцип формирования мультиматричных фасеточных структур. Исследования в направлении создания мультиматричных фасеточных систем активно финансируется, в частности военным ведомством США. Отечественные разработки таких оптико-электронных систем, доведенные до экспериментальных образцов, практически отсутствуют или не представлены в публикациях.

Литература

1. Optical Microsystems for imaging/R.Volkel, C.Ossmann, T. Scharf et al//SPIE. 1998. v.3410, pp 54-63.

2. Visconti C. EUCLID RTR 8.2 Software Simulator/ S. Landini, G. Barani, C.M. Wagenaar et al. // SPIE. 1998. v.2466, pp 842-846.

3. Соломатин В.А. и др. Устройство для определения азимута светоизлучающих объектов . Авт. св. СССР № 4689468/ 22 от 05.05.89.

4. Соломатин В.А. Фасеточное зрение: перспективы в оптико-электронных системах. Фотоника, 2009, № 1,с. 22-26.

5. http://blog.smu.edu/research/2009/03/10/hi-tech-lens-sharpens-military-surveillance/#more

6. http://actu.epfl.ch/news/a-360-camera-that-sees-in-3d/

7. http://jonaspfeil.de/ballcamera

8. D. L. Marks, E. J. Tremblay, J. E. Ford and D. J. Brady, "Microcamera aperture scale in monocentric gigapixel cameras," Appl. Opt. 50(30), 5824-5833 (2011)

9. http://pctuner.ru/page-al-dapra_argus_is.h...

Размещено на Allbest.ru