POREĐENJE STATISTIČKIH OSOBINA TELEVIZIJSKE I TERMOVIZIJSKE SLIKE ISTE SCENE

Ž. Barbarić1, B. Bondžulić2 1Vojnotehnički institut-Beograd, 2Vojna akademija-Beograd

I UVOD Potreba za sve većim saznanjima o sceni dovela je do proširenja elektromagnetnog spektra, koji se koristi za vizuelizaciju scene. Tako se danas koriste televizijske, fotografske, laserske, termovizijske i radarske slike iste scene, u cilju potpune kontrole i praćenja procesa na sceni. Scenu predstavljaju objekti, njihova okolina (pozadina) i atmosfera. Slike scene zavise od tipa scene, uslova prostiranja elektromagnetnog zračenja, od objekata do senzora, i vrste senzora, koji se koristi za formiranje slike scene. U ovom radu izvršena je uporedna analiza statističkih osobina televizijske i termovizijske slike iste scene. Analizirani su raspodela niva sivog, srednja vrednost, standardna devijacija, entropija i korelacija za televizijsku i termovizijsku sliku bliske i daleke scene. Slike scene su dobijene pomoću televizijske crno-bele kamere firme Samsung, tip SCL860, u vidljivom delu spektra (0,4-0,7) µm, i termovizijske kamere firme ATIS (Advanced Thermal Imaging System), u dalekom infracrvenom delu spektra (8-12) µm. Formirane su baze od po jedanaest sekvenci televizijskih i termovizijskih slika dve scene. Izabrane su bliska scena na daljini od oko 70m (parking u VTI, Beograd) i daleka scena na daljini od oko 4 km (magistralni put Obrenovac-Beograd i njegova okolina). Baza slika je formirana sa fiksnim kamerama, 19. 11. 2004. od 1030-1150. Optička vidljivost je bila ograničena zbog oblačnosti i sumaglice. II PRIKAZ SLIKA SCENA Na slici 1 prikazani su po dva frejm termoviijske i televizijske sekvence bliske scene (parking) i daleke scene (magistralni put). Prikazane termovizijske i televizijske slike scena su istih dimenzija 480x640 piksela. Na slici 1a i 1b prikazana je bliska scena, vidljivi su detalji na obe slike iako je termovizijska slika formirana sa širokim vidnim poljem (7,90X5,40). Na slici 1c i 1d prikazana je daleka scena na termovizijskoj i televizijskoj slici, gde se slabo vide detalji na sceni, iako je termovizijska slika formirana u uskom vidnom polju (2,20x1,50). Pri formiranju baze slika, vidno polje televizijske kamere je podešavano prema vidnom polju termovizijske kamere. Na termovizijskim slikama objekti sa većom emisijom (topli delovi objekata) su prikazani u svetlijoj nijansi sivog.

a) Termovizijska slika bliske scene

b) Televizijska slika bliske scene

c) Termovizijska slika daleke scene

d) Televizijska slika daleke scene

Slika 1. Termovizijske i televizijska slike bliske i daleke scene

III STATISTIČKI PARAMETRI Određeni su statistički parametri, za slike bliske i daleke scene: histogrami, srednje vrednosti, standardne devijacije, entropije i korelacije nivoa sivog. Na slici 2 prikazani su histogrami kropovanih slika bliske scene (slika 1a i 1b) dimenzija 410x610 piksela.Kropovanje je izvršeno radi ivica na slici 1a i 1b).

a) Histogram termovizijske slike bliske scene (sl.1a)

b) Histogram televizijske slike bliske scene (sl. 1b)

Slika 2. Histogrami nivoa sivog frejmova slika 1a i 1b) Sa slike 2 se vidi da je fluktuacija nivoa sivog televizijske slike veća od fluktuacije niva sivog termovizijske slike bliske scene. Takođe se vidi da su zastupljeni svi nivoi sivog (0-255) na obe slike.

U tabeli 1 prikazane su srednja vrednost, standardna devijacija i entropija, za slike 1a i 1b).

Tabela 1. Srednja vrednost, standardna devijacija i entropija nivoa sivog slika bliske scene

Parametar/Tip slike Termovizijska Televizijska Opseg niva sivog 0-255 0-255 Srednja vrednost 117,553 116,889 Standardna devijacija 47,623 65,020 Entropija 7,4855 7,7095

Iz tabele 1 se vidi da termovizijska slika bliske scene ima značajno manju standardnu devijaciju nivoa sivog od televizijske slike iste scene. Srednja vrednost termovizijske slike je malo veća a entopija malo manja od televizijske slike iste scene. Na slici 3 prikazane su vrednosti korelacije piksela po linijama termovizijske i televizijske slike bliske scene.

a) Korelacija termovizijske slike (sl. 1a)

b) Korelacija televizijske slike (sl. 1b)

Slika 3. Korelacija nivoa sivog u funkciji pomeraja 0-9 piksela, na slikama bliske scene duž linija

Sa slike 3 se vidi da je visoka korelisanost nivoa sivog piksela na obe slike, ali je veća za termovizijsku sliku, za sve pomeraje od 0 do 9 piksela. Za obe slike bliske scene vrednost korelacije opada sa pomerajem broja piksela. Korelacija po kolonama slika nije prikazana, jer su mala odstupanja u vrednosti korelacije. Isti parametri su određeni i za slike daleke scene. Na slici 4 prikazani su normalizovani histogrami nivoa sivog termovizijske i televizijske slike daleke scene.

a) Normalizovani histogram termovizijske slike (sl.1c)

b) Normalizovani histogram televizijske slike (sl.1d)

Slika 4. Normalizovani histogrami termovizijske i

televizijske slike daleke scene Sa slike 4 se vidi da histogram termovizijske slike ima veći broj niva sivog od televizijske slike daleke scene. Histogrami slika daleke scene su ograničeni po nivoima sivog. Najveći broj piksela televizijske slike uzima vrednosti iz opsega 100-200, a termovizijske slike iz opsega 50-200 nivoa sivog. Poređenjem histograma sa slika 2 i 4 vidi se da je fluktuacija nivoa sivog veća na televizijskoj slici bliske scene i termovizijskoj slici daleke scene. U tabeli 2 su prikazane vrednosti standardne devijacije, srednje vrednosti i entropije za slike daleke scene.

Tabela 2. Srednja vrednost, standardna devijacija i entropija nivoa sivog slika daleke scene

Parametar/Tip slike Termovizijska Televizijska Opseg niva sivog 0-255 31-255 Srednja vrednost 136,4937 141,7157 Standardna devijacija 29,8591 20,0187 Entropija 6,7757 6,2719

Iz tabele 2 se vidi da je standardna devijacija nivoa sivog veća na termovizijskoj nego na televizijskoj slici daleke scene. Srednja vrednost je veća, a entropija nivoa sivog nešto manja na televizijskoj slici daleke scene. Na slici 5 prikazane su vrednosti korelacije nivoa sivog slika daleke scene u funkciji pomeraja 0-9 piksela, duž linije na slikama.

a) Korelacija termovizijske slike (sl. 1c)

b) Korelacija televizijske slike (sl. 1d)

Slika 5. Korelacija nivoa sivog u funkciji pomeraja 0-9 piksela, na slikama daleke scene duž linija

Sa slike 5 se vidi da je visoka korelisanost nivoa sivog piksela na obe slike, ali je veća na televizijskoj nego na termovizijskoj, za sve pomeraje od 0 do 9 piksela. Za obe slike daleke scene vrednost korelacije opada sa pomerajem broja piksela. Ista zavisnost se dobija i po kolonama slika, sa malim odstupanjima u vrednosti korelacije.

IV ANALIZA REZULTATA Na slikama bliske scene (sl. 1a i 1b) dominantan je uticaj kontrasta na sceni, jer je transmitivnost atmosfere velika za mala rastojanja od kamere do objekta, oko 70m. Sa druge strane, na slikama daleke scene (sl. 1c i 1d) dominantan je uticaj atmosferskog slabljenja posebno za vidljivo područje talasnih dužina. Televizijska i termovizijska slika predstavljaju površinsku raspodelu radijanse na sceni, koja se redukuje zbog slabljenja u atmosferi i translira u sliku optičkim sistemom senzora [1]. Za formiranje televizijske slike važna je promena reflektovane komponente spektralne radijanse, Lλ

R. Njena spektralna promena se može proceniti pomoću ukupnog priraštaja [2]

λλλ

λλλ

λ ρππ

ρ∆

+++∆=∆

NSNSR EE

EEL )( (1)

gde su priraštaji spektralnih iradijansi od Sunca EλS i neba

EλN i spektralne reflektivnosti ρλ funkcije koordinata na

sceni. Prvi sabirak sa desne strane jednačine (1) predstavlja promenu spektralnih iradijansi od Sunca i neba, između dve tačke na sceni. Pošto spektralne iradijanse od Sunca i neba, u

kratkom vremenskom intervalu (u kojem se formira slika), imaju konstantne vrednosti pa do promene spektralnih iradijansi u funkciji koordinata dolazi samo zbog senke na sceni. Drugi član, sa desne strane, jednačine (1) predstavlja promenu reflektovane spektralne radijanse usled promene spektralne refleksivnosti između dve tačke na sceni. Spektralna refleksivnost površina na sceni zavisi od hemijskog sastava i hrapavosti površine objekata, zbog čega zavisi od tipa scene. Drugi član jednačine (1) je dominantan za priraštaj reflektovane komponente spektralne radijanse. Iz navedenih razloga na televizijskoj slici bliske scene, gde se uticaj transmitivnosti atmosfere može zanemariti, prosečan nivo sivog zavisi uglavnom od obasjanosti scene, a fluktuacija nivoa sivog od fluktuacije refleksivnosti na sceni. Termovizijska slika scene predstavlja raspodelu emisione komponente radijanse scene. Promena emisione komponente spektralne radijanse scene Lλ

E može se proceniti na bazi ukupne promene emitovane spektrane radijanse. Na osnovu poznatog Plankovog zakona za realne scene dobija se promena emitovane spektralne radijanse kao

CTCTE LLL λλλλλ εε ∆+∆=∆ (2) gde je LλCT spektralna radijansa crnog tela, a ελ je spektralna emisivnost realnog tela. Prvi član sa desne strane jednačine (2) predstavlja priraštaj emisione komponente spektralne radijanse usled promene spektralne emisivnosti između dve tačke na sceni. Ovaj član uglavnom zavisi od tipa scene, jer za realne scene važi ελ≅1-ρλ. Drugi sabirak u (2) predstavlja promenu emitovane spektralne radijanse usled promene temperature na sceni. Na osnovu Plankovog zakona promena spektralne radijanse crnog tela usled promene temperature T je data relacijom [3]

)/exp(11

2

2

TCTT

TCLL CTCT

λλλλ −−∆

=∆ (3)

gde je C2 druga radijaciona konstanta (C2=14387,90 µmK). Iz relacije (3) se vidi da je promena spektralne radijanse crnog tela veća na manjoj temperaturi, za konstantnu relativnu promenu (kontrast) temperature na sceni ∆T/T. Treba napomenuti da temperaturna razlika između objekta i pozadine na prirodnim scenama nije skokovita nego eksponencijalna funkcija rastojanja. Iz navedenog razloga promena emisione komponente spektralne radijanse na sceni je blaga i po pravilu ne određuje fizičke dimenzije objekta. Na termovizijskoj slici bliske scene Lλ

CT određuje prosečnu vrednost nivoa sivog, a fluktuacije nivoa sivog zavise od promene spektralne emisivnosti i relativne promene temperature na sceni, što pokazuju relacije (2) i (3). Na slikama daleke scene (sl.1c i 1d) dominantan je uticaj spektrane transmitivnosti atmosfere, koja redukuje kontrast scene na slici.. Relacije za procenu transmisivnosti atmosfere prema exponencijalnoj aproksimaciji [3] je

)exp( RRa

V

λλτ −= (4)

gde su: RV je optička vidljivost na talasnu dužinu 0,55 µm, R je koso rastojanje od kamere do objekta na sceni, a aλ je spektralni koeficijent slabljenja u atmosferi. Koeficijent slabljenja, u funkciji talasne dužine, po Košiderovoj formuli [4], je dat u obliku

q

a

=

λλ55,0912,3 (5)

gde se q računa iz q=0,585(RV)1/3. Iz (4) i (5) se vidi da je spektralna transmitivnost atmosfere najmanja u vidljivom opsegu talasnih dužina. Iz ovih aproksimativnih izraza se vidi da, za isti kontrast na sceni, je kontrast više redukovan na televizijskoj nego na termovizijskoj slici scene. Dakle, na slikama daleke scene veća je redukcija nivo sivog i fluktuacija nivoa sivog na televizijskim nego na termovizijskim slikama iste scene. V ZAKLJUČAK Nivo sivog na slikama bliske scene prestavljaju raspodelu radijanse na sceni, pod pretpostavkom da je atmosfera idealna. Osnovna karakteristika slika bliske scene je relativno visoka vrednost standardne devijacije nivoa sivog, ali je veća na televizijskim nego na termovizijskim slikama. Na slikama daleke scene vrednost standardne devijacije je mnogo manja, a veća je na termovizijskim nego na televizijskim slikama, što je posledica veće transmitivnosti atmosfere u opsegu talasnih dužina (8-12) µm nego u opsegu (0,4-0,7) µm. Na slikama obe scene uočena je visoka entropija, koja ukazuje na potrebu za 7 do 8 bita po pikselu, za slike daleke i bliske scene respektivno. Visoka korelisanost piksela na slikama obe scene može se objasniti relativno velikim korelacionim rastojanjem emisivnosti, refleksivnosti i temperature prirodnih scena. Veća korelisanost na slikama daleke scene je posledica slabljenja u atmosferi i konačne prostorne rezolucije kamera.

LITERATURA [1] Ž. Barbarić, A. Marinčić G. Petrović, D. Milovanović, “Thermal-image generation by line-scannig technique: a new computer model”, Applied Optics, Vol.33, No.14, 1994., pp. 2883-2890. [2] Ž. Barbarić, Optoelektronsko izviđanje iz vazduha, Naučno-tehnička informacija, Br. 4, VTI-VJ, 1995. [3] Ž. Barbarić, “Uporedna analiza Televizijske i termovizijske slike iste scene”, XLV Konferencija za ETRAN, Zbornik radova, Sveska 2, jun 2001., pp.277-280. [4] Ž. Barbarić, M. Nikolić, “Analiza primljene snage reflektovanog sunčevog zračenja od objekta i pozadine u laserskim sistemima”, XLVIII Konferencija za ETRAN, Zbornik radova, Sveska 2, jun 2004., pp.333-336. Abstract: A comparative of statistical properties of television and thermovision images same scene are analyzed. Histogram, mean value, standard deviation, entropy, and correlation of gray level both images are studied, for near and far scenes.

COMPARATIVE OF STATISTICAL PROPERTIES OF TELEVISION AND THERMOVISION IMAGES SAME

SCENE Žarko Barbarić, Boban Bondžulić