Поляризация используется во многих областях, наиболее известное применение из которых – это разделение стереопары в 3Д фильмах у некоторых телевизоров и в кинотеатрах, это круговая поляризация. При фотосъемке применяют поляризационные фильтры, чтобы избавиться от паразитных бликов за счет эффекта, когда свет приобретает поляризацию при отражении. Но о том, с какой поляризацией фотоны излучаем мы и объекты вокруг нас, информации почти нет. На просторах интернета вы практически не найдёте информации и примеров того, как выглядит истинное собственное поляризованное излучение объектов. Все началось с того, что мы разработали очень чувствительный тепловизионный модуль VLM640, который обладал чувствительностью не хуже 20мК в диапазоне 8-12мкм, что очень неплохо для неохлаждаемых болометрических камер. Производитель сенсоров обратился к нам и предложил инженерный образец из экспериментальной пластины болометрических детекторов с интегрированными поляризационными фильтрами. Для нас это было очень почетно, но в то же время понимания, что мы должны в итоге получить, не было. Технология и сама идея увидеть собственную поляризацию тепловых квантов-фотонов объектов, которые нас окружают, абсолютно новая, и опыта обработки такой информации у нас не было.
В данной статье мы постараемся показать вам поляризацию в тепловизинном диапазоне, и это пока первая и единственная статья на эту тему в рунете (по крайней мере, мы не смогли пока найти ничего похожего).
Итак, приступим…
В нашем распоряжении была электроника ранее разработанного тепловизора VLM640, которая позволяла обеспечить чувствительность болометрического сенсора лучше 20мК, и был переданный производителем поляризационный сенсор. Уникальность последнего состоит в том, что в группе из четырех пикселей на каждый пиксель нанесен поляризатор (каким образом нанесено? даже не пытайтесь спрашивать у нас, у производителя выпытать не удалось). Поляризация каждого фильтра отличается на 45 градусов. Итого у нас углы поляризации: 0-180, 45-225, 90-270, 135-315 градусов.
Обработка массива данных с сенсора — задача не в полной мере тривиальная. Если изначально мы её решали «в лоб», то последняя версия обработки более похожа на алгоритм дебайеризации, когда в обработке каждого пикселя участвуют больше четырех окрестных пикселей. Но, к сожалению, следует отметить, что если по яркости (температуре) результирующее изображение имеет разрешение 640х512 элементов, то по углам поляризации всё же в два раза хуже.
В результирующих видео присутствуют три изображения (слева направо): видео с обычного тепловизора, восстановленные углы поляризации, комплексированное изображение, где яркость — это тепловое излучение, а цвет — угол поляризации.
Собственно, результат лучше один раз увидеть, чем сто раз прочитать, поэтому мы специально для статьи записали показательные видео.
Лампочка
Стеклянная лампочка — отличный объект для демонстрации собственной поляризации. Стекло непрозрачно в диапазоне 8-12мкм и отлично излучает тепло, которое оказывается поляризованным соответственно углу, с которым излучается.
Плафон
Видео с пластиковым плафоном демонстрирует, как поляризация позволяет отобразить поверхностную структуру объекта. Если бы на поверхности гладкого объекта были дефекты, то их можно было бы обнаружить из-за дефекта поляризации.
Крашеный металлический контейнер
Плоские объекты излучают достаточно просто, но каждая грань под разным углом поляризации. В видимом диапазоне или тепловизионном диапазоне по одному кадру нельзя было бы сказать об угле грани. С учетом поляризации излучения это становится возможным.
Металлическая пластина
Чистая металлическая пластина — сложный объект, она не хочет излучать, а пытается отразить тепло от других объектов. По центру маркером нанесен квадрат, эта часть (пластиковая) излучает чуть лучше.
Лед в стакане
Довольно интересно смотрится лёд. В общем, поляризация подчёркивает поверхностные дефекты, даже незначительные. Есть подозрение, что поляризация могла бы помочь в распознавании трещин во льду. Но пока ещё только осень, пока не так холодно, льда нет, и мы не имеем возможности проверить предположение на практике =).
И отдельный кадр реального изображения с улицы.
УАЗик
Небольшой хабр-абзац в виде спасибо нашему программисту.
Изначально мы видео записывали и обрабатывали в матлабе. Такой математический «рендеринг» требовал много времени и не позволял оценить видео в реальном времени. Попытка перенести обработку в реальном времени на ПК позволила получить частоту отображения 4 кадра в секунду, а при добавлении в обработку пост-фильтра частота кадров упала до одного в секунду. Единственный выход — перенос обработки в directx на шейдеры, нельзя сказать, что всё прошло гладко, но для нас всё равно кажется удивительным, что даже встроенная видеокарта принимает и обрабатывает 50 кадров в секунду. Илья — железячники тебе респектуют =)
ps: если кто-то из уважаемого habr-сообщества подскажет, возможно ли (и как) забрать обратно видео из шейдера, чтобы сохранить в avi — были бы очень признательны. "
ps: если кто-то из уважаемого habr-сообщества подскажет, возможно ли (и как) забрать обратно видео из шейдера, чтобы сохранить в avi — были бы очень признательны. "
Результаты и выводы:
Мы смогли показать наиболее яркие моменты использования регистрации излучения объектов в диапазоне 8-12мкм. Но, так как мы являемся разработчиками радиоэлектронной аппаратуры, а не докторами наук в области фотометрии или оптики, нам сложно оценить возможности применения данного физического свойства и прибора.
Пока мы можем сказать, что поляризация позволяет рассказать о поверхности объекта.
Есть предположения (по результатам общения с производителем детекторов, коллегами на выставках и очень скудной информации в интернете), что эффект оценки поляризации излучающих и отражающих объектов можно использовать в следующих областях:
- Отличие собственного излучения от отражения (например, теплой машины от блика солнца в луже или от песка/камня)
- Поиск замаскированных объектов
- Поиск масляных пятен на поверхности воды
- Поиск дефектов
- Снятие 3D геометрии объекта
- Обнаружение теплого объекта (тонущего человека) на поверхности воды, отделив солнечные блики от собственного излучения объекта.
Можно ли увеличить чувствительность? да, это возможно, но для этого нужно стабилизировать температуру камеры (заузить её рабочую температуру) и провести дополнительные калибровки, мы пока этим не занимались, но потенциал такой есть.
Возможно, после прочтения статьи у вас появится идея, что было бы интересно заснять — напишите в комментариях, обсудим и постараемся реализовать.
Мы надеемся, что данная статья была интересна, и нам удалось рассказать и показать что-то новое, с чем раньше не приходилось сталкиваться. Хотелось бы выразить спасибо Алексею, который разработал математический аппарат обработки изображения и подготовил видео, Илье, который перенес почти всю обработку на шейдеры, коллективу НПК Фотоника за предоставленную возможность поработать с уникальным детектором, все же «Видеть невидимое» — это по меньшей мере интересно и захватывающе.
