Die Polarisation wird in vielen Bereichen verwendet, von denen die bekannteste die Trennung von Stereopaaren in 3D-Filmen einiger Fernseher und Kinos ist. Dies ist die zirkulare Polarisation. Beim Fotografieren werden Polarisationsfilter verwendet, um störende Blendung aufgrund des Effekts zu beseitigen, wenn das Licht durch Reflexion polarisiert wird. Es gibt jedoch fast keine Informationen über die Polarisation der von uns emittierten Photonen und der Objekte um uns herum. Im Internet finden Sie praktisch keine Informationen und Beispiele dafür, wie die wahre polarisierte Strahlung von Objekten aussieht.
Alles begann mit der Tatsache, dass wir ein sehr empfindliches Wärmebildmodul VLM640 entwickelt haben, dessen Empfindlichkeit im Bereich von 8 bis 12 km nicht schlechter als 20 mK war, was für ungekühlte bolometrische Kameras sehr gut ist. Der Sensorhersteller wandte sich an uns und schlug eine technische Probe von einer Versuchsplatte mit bolometrischen Detektoren mit integrierten Polarisationsfiltern vor. Es war sehr ehrenwert für uns, aber gleichzeitig gab es kein Verständnis dafür, was wir am Ende bekommen sollten. Die Technologie und die Idee selbst, unsere eigene Polarisation der thermischen Quantenphotonen der uns umgebenden Objekte zu sehen, sind völlig neu, und wir hatten keine Erfahrung mit der Verarbeitung solcher Informationen.
In diesem Artikel werden wir versuchen, Ihnen die Polarisation im Wärmebildbereich zu zeigen. Dies ist der erste und einzige Artikel zu diesem Thema in RuNet (zumindest konnten wir noch nichts Ähnliches finden).
Also, fangen wir an ...
Zu unserer Verfügung stand die Elektronik der zuvor entwickelten Wärmebildkamera VLM640, die es ermöglichte, eine Empfindlichkeit eines bolometrischen Sensors von mehr als 20 mK und eines vom Hersteller übertragenen Polarisationssensors bereitzustellen. Die Einzigartigkeit des letzteren liegt in der Tatsache, dass in einer Gruppe von vier Pixeln ein Polarisator auf jedes Pixel angewendet wird (wie wird es angewendet? Versuchen Sie nicht einmal, uns zu fragen, der Hersteller konnte es nicht herausholen). Die Polarisation jedes Filters unterscheidet sich um 45 Grad. Insgesamt haben wir Polarisationswinkel: 0-180, 45-225, 90-270, 135-315 Grad.
Die Verarbeitung eines Datenarrays von einem Sensor aus ist keine völlig triviale Aufgabe. Wenn wir es anfangs „frontal“ gelöst haben, ähnelt die neueste Version der Verarbeitung eher dem Debyerisierungsalgorithmus, wenn mehr als vier benachbarte Pixel an der Verarbeitung jedes Pixels beteiligt sind. Leider ist zu beachten, dass die Helligkeit (Temperatur) des resultierenden Bildes zwar eine Auflösung von 640 x 512 Elementen aufweist, die Polarisationswinkel jedoch immer noch zweimal schlechter sind.
Das resultierende Video enthält drei Bilder (von links nach rechts): Video von einer herkömmlichen Wärmebildkamera, rekonstruierte Polarisationswinkel, integriertes Bild, wobei Helligkeit Wärmestrahlung und Farbe der Polarisationswinkel ist.
Eigentlich ist es besser, das Ergebnis einmal zu sehen, als es hundertmal zu lesen. Deshalb haben wir speziell für den Artikel indikative Videos aufgenommen.
GlühbirneEin Glaskolben ist ein ausgezeichnetes Objekt, um seine eigene Polarisation zu demonstrieren. Glas ist im Bereich von 8-12 Mikrometern undurchsichtig und strahlt perfekt Wärme ab, die entsprechend dem Winkel, mit dem es emittiert wird, polarisiert wird.
SchattenEin Video mit einer Kunststoffdecke zeigt, wie Sie mit der Polarisation die Oberflächenstruktur eines Objekts anzeigen können. Wenn sich Defekte auf der Oberfläche eines glatten Objekts befanden, konnten diese aufgrund eines Polarisationsfehlers erkannt werden.
Behälter aus lackiertem MetallFlache Objekte emittieren ganz einfach, aber jedes Gesicht hat einen anderen Polarisationswinkel. Im sichtbaren Bereich oder im Wärmebildbereich konnte kein Bild über den Gesichtswinkel gesagt werden. Aufgrund der Polarisation der Strahlung wird dies möglich.
MetallplatteEine reine Metallplatte ist ein komplexes Objekt, sie möchte nicht strahlen, sondern versucht, Wärme von anderen Objekten zu reflektieren. In der Mitte ist ein Quadrat mit einer Markierung eingezeichnet, dieser Teil (Kunststoff) strahlt etwas besser aus.
Eis in einem GlasDas Eis sieht ziemlich interessant aus. Im Allgemeinen betont die Polarisation Oberflächendefekte, auch kleinere. Es besteht der Verdacht, dass die Polarisation bei der Identifizierung von Rissen im Eis hilfreich sein könnte. Aber es ist immer noch nur Herbst, obwohl es nicht so kalt ist, gibt es kein Eis und wir können die Annahme in der Praxis nicht überprüfen =).
Und ein separater Rahmen eines realen Bildes von der Straße.
UAZEin kleiner Absatz in Form eines Dankes an unseren Programmierer.Zunächst haben wir das Video in matlab aufgenommen und verarbeitet. Ein solches mathematisches "Rendern" erforderte viel Zeit und erlaubte es nicht, das Video in Echtzeit auszuwerten. Der Versuch, die Echtzeitverarbeitung auf einen PC zu übertragen, ermöglichte es uns, eine Anzeigefrequenz von 4 Bildern pro Sekunde zu erhalten, und wenn der Verarbeitung ein Nachfilter hinzugefügt wurde, sank die Bildrate auf eins pro Sekunde. Der einzige Ausweg besteht darin, die Verarbeitung in DirectX auf Shader zu übertragen. Man kann nicht sagen, dass alles reibungslos verlief, aber für uns scheint es immer noch überraschend, dass selbst die integrierte Grafikkarte 50 Bilder pro Sekunde akzeptiert und verarbeitet. Ilya - Eisenarbeiter respektieren dich =)
ps: wenn mir jemand aus der seriösen habr-community sagt, ob es möglich ist (und wie), das video vom shader zurückzunehmen, um es in avi zu speichern, wären wir sehr dankbar. ""
Ergebnisse und Schlussfolgerungen:
Wir konnten die lebendigsten Momente der Registrierung von Strahlung von Objekten im Bereich von 8-12 μm zeigen. Da wir jedoch Entwickler elektronischer Geräte und keine Ärzte auf dem Gebiet der Photometrie oder Optik sind, ist es für uns schwierig, die Möglichkeiten der Verwendung dieser physikalischen Eigenschaft und dieses Geräts zu bewerten.
Während wir sagen können, dass die Polarisation es uns ermöglicht, über die Oberfläche des Objekts zu sprechen.
Es gibt Annahmen (basierend auf den Ergebnissen der Kommunikation mit dem Detektorhersteller, Kollegen auf Ausstellungen und sehr knappen Informationen im Internet), dass der Effekt der Bewertung der Polarisation von emittierenden und reflektierenden Objekten in den folgenden Bereichen genutzt werden kann:
- Der Unterschied zwischen Eigenstrahlung und Reflexion (zum Beispiel eine warme Maschine aus dem Sonnenlicht in einer Pfütze oder aus Sand / Stein)
- Suche nach maskierten Objekten
- Suchen Sie nach Ölflecken auf der Wasseroberfläche
- Fehlersuche
- Entfernen der 3D-Objektgeometrie
- Erkennung eines warmen Objekts (einer ertrinkenden Person) auf der Wasseroberfläche, wodurch die Sonnenblendung von der eigenen Strahlung des Objekts getrennt wird.
Ist es möglich, die Empfindlichkeit zu erhöhen? Ja, es ist möglich, aber dafür ist es notwendig, die Temperatur der Kammer zu stabilisieren (um ihre Betriebstemperatur zu verringern) und zusätzliche Kalibrierungen durchzuführen. Wir haben dies noch nicht getan, aber es gibt ein solches Potenzial.
Vielleicht haben Sie nach dem Lesen des Artikels eine Idee, dass es interessant wäre, zu schießen - schreiben Sie in die Kommentare, diskutieren Sie und versuchen Sie zu implementieren.
Wir hoffen, dass dieser Artikel interessant war und wir konnten etwas Neues erzählen und zeigen, das wir vorher noch nicht erlebt hatten. Ich möchte Alexei, der den mathematischen Apparat für die Bildverarbeitung entwickelt und das Video vorbereitet hat, Ilya, der fast die gesamte Verarbeitung auf die Shader übertragen hat, dem NPK Photonika-Team für die Möglichkeit danken, mit einem einzigartigen Detektor zu arbeiten, aber „Das Unsichtbare sehen“ ist zumindest interessant und interessant aufregend.