A polarização é usada em muitas áreas, a mais famosa das quais é a separação de pares estéreo em filmes em 3D de algumas televisões e salas de cinema, isto é polarização circular. Ao fotografar, os filtros polarizadores são usados para se livrar do brilho espúrio devido ao efeito quando a luz é polarizada pela reflexão. Mas quase não há informações sobre a polarização dos fótons que emitimos e os objetos ao nosso redor. Na Internet, você praticamente não encontrará informações e exemplos de como é a verdadeira radiação polarizada de objetos.
Tudo começou com o fato de termos desenvolvido um módulo de imagem térmica muito sensível VLM640, que tinha uma sensibilidade não superior a 20 mK na faixa de 8 a 12 mkm, o que é muito bom para câmeras bolométricas não refrigeradas. O fabricante do sensor se voltou para nós e propôs uma amostra de engenharia de uma placa experimental de detectores bolométricos com filtros polarizadores integrados. Foi muito honroso para nós, mas ao mesmo tempo não havia entendimento do que deveríamos obter no final. A tecnologia e a própria idéia de ver nossa própria polarização de quanta-fótons térmicos dos objetos que nos cercam são completamente novas, e não tínhamos experiência no processamento de tais informações.
Neste artigo, tentaremos mostrar a polarização na faixa de imagens térmicas, e este é o primeiro e único artigo sobre este tópico no RuNet (pelo menos ainda não conseguimos encontrar nada parecido).
Então, vamos começar ...
À nossa disposição estavam os componentes eletrônicos do termovisor VLM640 desenvolvido anteriormente, que possibilitava proporcionar uma sensibilidade de um sensor bolométrico melhor que 20 mK e um sensor de polarização transmitido pelo fabricante. A singularidade deste último reside no fato de que, em um grupo de quatro pixels, um polarizador é aplicado a cada pixel (como é aplicado? Nem tente nos perguntar, o fabricante não conseguiu tirá-lo). A polarização de cada filtro difere em 45 graus. No total, temos ângulos de polarização: 0-180, 45-225, 90-270, 135-315 graus.
Processar uma matriz de dados de um sensor não é uma tarefa completamente trivial. Se inicialmente o resolvemos “de frente”, a versão mais recente do processamento é mais semelhante ao algoritmo de desererização, quando mais de quatro pixels vizinhos estão envolvidos no processamento de cada pixel. Infelizmente, porém, deve-se notar que, embora o brilho (temperatura) da imagem resultante tenha uma resolução de 640x512 elementos, os ângulos de polarização ainda são duas vezes piores.
O vídeo resultante contém três imagens (da esquerda para a direita): vídeo de um termovisor convencional, ângulos de polarização reconstruídos, uma imagem complexa, onde o brilho é a radiação térmica e a cor é o ângulo de polarização.
Na verdade, é melhor ver o resultado uma vez do que ler cem vezes; portanto, gravamos vídeos indicativos especialmente para o artigo.
LâmpadaUma lâmpada de vidro é um excelente objeto para demonstrar sua própria polarização. O vidro é opaco na faixa de 8 a 12 mícrons e irradia perfeitamente o calor, que é polarizado de acordo com o ângulo com o qual é emitido.
SombraUm vídeo com teto de plástico demonstra como a polarização permite exibir a estrutura da superfície de um objeto. Se houvesse defeitos na superfície de um objeto liso, eles poderiam ser detectados devido a um defeito de polarização.
Recipiente de metal pintadoObjetos planos emitem de maneira bastante simples, mas cada face fica com um ângulo de polarização diferente. Na faixa visível ou na imagem térmica, não era possível dizer um quadro sobre o ângulo da face. Dada a polarização da radiação, isso se torna possível.
Placa de metalUma placa de metal puro é um objeto complexo, que não deseja irradiar, mas está tentando refletir o calor de outros objetos. Um quadrado é plotado no centro com um marcador, essa parte (plástica) irradia um pouco melhor.
Gelo em um copoO gelo parece bem interessante. Em geral, a polarização enfatiza os defeitos da superfície, mesmo os menores. Existe uma suspeita de que a polarização possa ajudar na identificação de rachaduras no gelo. Mas ainda é apenas outono, embora não seja tão frio, não há gelo e não podemos verificar a suposição na prática =).
E um quadro separado de uma imagem real da rua.
UAZUm pequeno parágrafo na forma de agradecimentos ao nosso programador.Inicialmente, gravamos e processamos o vídeo no matlab. Essa "renderização" matemática exigia muito tempo e não permitia avaliar o vídeo em tempo real. Uma tentativa de transferir o processamento em tempo real para um PC nos permitiu obter uma frequência de exibição de 4 quadros por segundo e, ao adicionar um pós-filtro ao processamento, a taxa de quadros caiu para um por segundo. A única saída é transferir o processamento em directx para shaders, não se pode dizer que tudo correu bem, mas para nós ainda parece surpreendente que até a placa de vídeo integrada aceite e processe 50 quadros por segundo. Ilya - trabalhadores de ferro respeitam você =)
ps: se alguém da respeitável comunidade habr me disser se é possível (e como) recuperar o vídeo do shader para salvá-lo em avi - ficaríamos muito agradecidos. "
Resultados e conclusões:
Pudemos mostrar os momentos mais brilhantes do uso do registro de radiação de objetos na faixa de 8 a 12 μm. Porém, como somos desenvolvedores de equipamentos eletrônicos, e não doutores em ciências no campo da fotometria ou da óptica, é difícil para nós avaliar as possibilidades de uso dessa propriedade e dispositivo físico.
Embora possamos dizer que a polarização nos permite falar sobre a superfície do objeto.
Existem suposições (baseadas nos resultados da comunicação com o fabricante do detector, colegas em exposições e informações muito escassas na Internet) de que o efeito de avaliar a polarização de objetos emissores e refletores pode ser usado nas seguintes áreas:
- A diferença entre radiação intrínseca e reflexão (por exemplo, uma máquina quente do brilho do sol em uma poça ou de areia / pedra)
- Procurar objetos mascarados
- Procure manchas de óleo na superfície da água
- Pesquisa de defeitos
- Removendo a geometria do objeto 3D
- Detecção de um objeto quente (uma pessoa que se afoga) na superfície da água, separando o brilho do sol da própria radiação do objeto.
É possível aumentar a sensibilidade? Sim, é possível, mas para isso é necessário estabilizar a temperatura da câmara (para diminuir a temperatura de operação) e realizar calibrações adicionais, ainda não fizemos isso, mas existe um potencial.
Talvez depois de ler o artigo, você tenha uma idéia de que seria interessante filmar - escreva nos comentários, discuta e tente implementar.
Esperamos que este artigo seja interessante e que possamos contar e mostrar algo novo que não havíamos encontrado antes. Gostaria de agradecer a Alexei, que desenvolveu o aparato matemático para processamento de imagem e preparou o vídeo, Ilya, que transferiu quase todo o processamento para os shaders, para a equipe Photonika NPK pela oportunidade de trabalhar com um detector exclusivo, mas "Ver o Invisível" é pelo menos interessante e emocionante.