La polarisation est utilisée dans de nombreux domaines, dont le plus célèbre est la séparation des paires stéréo dans les films 3D de certains téléviseurs et cinémas, c'est la polarisation circulaire. Lors de la photographie, des filtres polarisants sont utilisés pour éliminer les reflets parasites dus à l'effet lorsque la lumière se polarise par réflexion. Mais il n'y a presque aucune information sur la polarisation des photons que nous émettons et des objets qui nous entourent. Sur Internet, vous ne trouverez pratiquement pas d'informations et d'exemples de ce à quoi ressemble le vrai rayonnement polarisé des objets.
Tout a commencé avec le fait que nous avons développé un module d'imagerie thermique très sensible VLM640, qui avait une sensibilité non inférieure à 20 mK dans la gamme de 8-12 mkm, ce qui est très bon pour les caméras bolométriques non refroidies. Le fabricant de capteurs s'est tourné vers nous et a proposé un échantillon d'ingénierie à partir d'une plaque expérimentale de détecteurs bolométriques avec filtres polarisants intégrés. C'était très honorable pour nous, mais en même temps, nous ne comprenions pas ce que nous devrions obtenir à la fin. La technologie et l'idée même de voir notre propre polarisation des quanta-photons thermiques des objets qui nous entourent sont complètement nouvelles, et nous n'avions aucune expérience dans le traitement de telles informations.
Dans cet article, nous allons essayer de vous montrer la polarisation dans le domaine de l'imagerie thermique, et c'est le premier et le seul article sur ce sujet dans RuNet (au moins, nous n'avons rien trouvé de similaire pour le moment).
Alors commençons ...
Nous disposions de l'électronique de l'imageur thermique VLM640 développé précédemment, qui permettait de fournir une sensibilité d'un capteur bolométrique meilleure que 20 mK, et d'un capteur de polarisation transmis par le fabricant. L'unicité de ce dernier réside dans le fait que dans un groupe de quatre pixels un polariseur est appliqué à chaque pixel (comment est-il appliqué? N'essayez même pas de nous le demander, le constructeur n'a pas pu le sortir). La polarisation de chaque filtre diffère de 45 degrés. Au total, nous avons des angles de polarisation: 0-180, 45-225, 90-270, 135-315 degrés.
Le traitement d'un tableau de données à partir d'un capteur n'est pas une tâche complètement triviale. Si au départ nous l'avons résolu "de front", alors la dernière version du traitement est plus similaire à l'algorithme de désbyérisation, lorsque plus de quatre pixels voisins sont impliqués dans le traitement de chaque pixel. Mais, malheureusement, il convient de noter que bien que la luminosité (température) de l'image résultante ait une résolution de 640x512 éléments, les angles de polarisation sont encore deux fois moins bons.
La vidéo résultante contient trois images (de gauche à droite): vidéo provenant d'un imageur thermique conventionnel, angles de polarisation reconstruits, une image complexe, où la luminosité est le rayonnement thermique et la couleur est l'angle de polarisation.
En fait, il est préférable de voir le résultat une fois que de le lire cent fois, c'est pourquoi nous avons spécialement enregistré des vidéos indicatives spécialement pour l'article.
AmpouleUne ampoule en verre est un excellent objet pour démontrer sa propre polarisation. Le verre est opaque dans la plage de 8 à 12 microns et rayonne parfaitement la chaleur, qui est polarisée en fonction de l'angle avec lequel il est émis.
OmbreUne vidéo avec un plafond en plastique montre comment la polarisation vous permet d'afficher la structure de surface d'un objet. S'il y avait des défauts à la surface d'un objet lisse, ils pourraient être détectés en raison d'un défaut de polarisation.
Récipient en métal peintLes objets plats émettent tout simplement, mais chaque face à un angle de polarisation différent. Dans le domaine visible ou dans le domaine de l'imagerie thermique, une image ne pouvait pas être dite sur l'angle du visage. Compte tenu de la polarisation du rayonnement, cela devient possible.
Plaque métalliqueUne plaque de métal pur est un objet complexe, elle ne veut pas rayonner, mais essaie de réfléchir la chaleur des autres objets. Un carré est tracé au centre avec un marqueur, cette partie (plastique) rayonne un peu mieux.
Glace dans un verreLa glace semble assez intéressante. En général, la polarisation accentue les défauts de surface, même mineurs. On soupçonne que la polarisation pourrait aider à identifier les fissures dans la glace. Mais ce n'est encore que l'automne, alors qu'il ne fait pas si froid, il n'y a pas de glace, et nous ne sommes pas en mesure de vérifier l'hypothèse dans la pratique =).
Et un cadre séparé d'une image réelle de la rue.
UAZUn petit paragraphe sous forme de remerciements à notre programmeur.Au départ, nous avons enregistré et traité la vidéo dans matlab. Un tel "rendu" mathématique demandait beaucoup de temps et ne permettait pas d'évaluer la vidéo en temps réel. Une tentative de transfert du traitement en temps réel vers un PC nous a permis d'obtenir une fréquence d'affichage de 4 images par seconde, et lors de l'ajout d'un post-filtre au traitement, la fréquence d'images est tombée à un par seconde. La seule issue est de transférer le traitement en directx vers les shaders, on ne peut pas dire que tout s'est bien passé, mais pour nous, il semble toujours surprenant que même la carte vidéo intégrée accepte et traite 50 images par seconde. Ilya - les ferronniers vous respectent =)
ps: si quelqu'un de la communauté habr réputée me dit s'il est possible (et comment) de reprendre la vidéo du shader pour la sauvegarder en avi - nous serions très reconnaissants. "
Résultats et conclusions:
Nous avons pu montrer les moments les plus brillants de l'utilisation de l'enregistrement du rayonnement des objets dans la gamme de 8-12 μm. Mais, puisque nous sommes des développeurs d'équipements électroniques, et non des docteurs en sciences dans le domaine de la photométrie ou de l'optique, il nous est difficile d'évaluer les possibilités d'utilisation de cette propriété physique et de cet appareil.
Alors que l'on peut dire que la polarisation nous permet de parler de la surface de l'objet.
Il existe des hypothèses (basées sur les résultats de la communication avec le fabricant du détecteur, des collègues lors d'expositions et des informations très rares sur Internet) que l'effet de l'évaluation de la polarisation des objets émetteurs et réfléchissants peut être utilisé dans les domaines suivants:
- La différence entre le rayonnement intrinsèque et la réflexion (par exemple, une machine chaude de l'éblouissement du soleil dans une flaque d'eau ou de sable / pierre)
- Recherche d'objets masqués
- Recherche de taches d'huile à la surface de l'eau
- Recherche de défauts
- Suppression de la géométrie d'un objet 3D
- Détection d'un objet chaud (une personne qui se noie) à la surface de l'eau, séparant l'éblouissement solaire du rayonnement de l'objet.
Est-il possible d'augmenter la sensibilité? Oui, c’est possible, mais pour cela il faut stabiliser la température de la chambre (pour réduire sa température de fonctionnement) et effectuer des étalonnages supplémentaires, nous ne l’avons pas encore fait, mais il y a un tel potentiel.
Peut-être qu'après avoir lu l'article, vous aurez une idée qu'il serait intéressant de tourner - écrivez dans les commentaires, discutez et essayez de mettre en œuvre.
Nous espérons que cet article était intéressant, et nous avons pu dire et montrer quelque chose de nouveau que nous n'avions pas rencontré auparavant. Je tiens à remercier Alexei, qui a développé l'appareil mathématique pour le traitement d'images et préparé la vidéo, Ilya, qui a transféré presque tout le traitement aux shaders, à l'équipe NPK Photonika pour l'opportunité de travailler avec un détecteur unique, mais "Voir l'invisible" est au moins intéressant et passionnant.