Рис. 6.11. Структурная схема устройства сопряжения тепловизора «Рубин-2» с ЭВМ «Минск-32»
В процессе совершенствования тепловизоров, расширения объема их выпуска и, следовательно, сфер применения в ряде случаев появляется необходимость в обработке тепловизионной информации с помощью ЭВМ. Такая задача возникает в медицине при автоматизированной обработке термограмм, проводимой для предварительной диагностики различных заболеваний, при тепловом неразрушающем контроле, для определения качества различных объектов, нахождения местоположения дефектов, особенно, когда объект подвижен, и в ряде других областей. Обработка термограмм на ЭВМ позволяет также улучшить такие параметры тепловизоров, как порог температурной чувствительности и геометрическое разрешение, осуществлять автокалибровку измерительного канала, устранять геометрический шум ЧЭ многоэлементного приемник, автоматизировать процесс управления тепловизором, в особенности выбор оптимальных значений уровня отсчета и диапазона регистрируемых температур. В настоящее время в тепловидении применение даже малых ЭВМ целесообразно лишь на этапе отработки алгоритмов и программ. Состояние элементной базы позволяет создавать встроенные микропроцессоры для решения определенного круга тепловизионных задач.
Обработка тепловизионной информации на ЭВМ является одним из разделов иконики, под которой понимается научное направление, изучающее общие свойства изображений и определяющее цели и задачи их преобразований, отработки и воспроизведения на основе всех возможных методов и средств. Ниже рассмотрены устройства и методы обработки термограмм с помощью ЭВМ и процессоров.
В аналоговых и цифровых термограммах каждый элемент разложения представляется определенным значением оптической плотности или цветом при геометрическом подобии объекта и его изображения. У числовых термограмм каждый элемент разложения представлен числом на любом носителе информации, например на ленте цифропечатающего устройства, перфоленте, магнитном диске.
Числовые термограммы обычно получают в комплексах типа тепловизор— ЭВМ. Одним из первых были созданы комплексы на базе медленно сканирующих тепловизоров, сопряженных с ЭВМ через промежуточный носитель информации — перфоленту, позволяющие производить развязку процессов термографирования и обработки во времени и пространстве. Основным элементом такого комплекса является устройство сопряжения (рис. 6.11).
Видеосигнал от тепловизора «Рубин-2» поступает на усилитель видеосигнала 1, где усиливается до уровня, необходимого для нормальной работы квантователя уровня 2. Квантователь преобразует входной аналоговый сигнал в переменный код, который поступает на формирователь машинного кода 3, преобразующий его в стандартный машинный параллельный 8-разрядный код, который поступает в блок памяти 6. Время хранения записанной информации регламентируется перфоратором 5 (типа ПЛ-80 или ПЛ-150), т. е. после записи строки информации на перфоленте с перфоратора поступает сигнал нового кода в блок памяти. Так как на перфоленте каждая строка должна содержать нечетное количество пробивок, то для контроля сигнала, записанного в память, в устройство сопряжения введена схема проверки четности 8.
Для того чтобы в момент записи информации в память не произошла смена кода, т. е. не был записан переходный процесс, выраженный числом с четным количеством пробивок в строке, предусмотрена схема проверки четности 8. С выхода схемы снимается импульс, который, пройдя через схему управления памятью 4, запишет информацию, и на перфоленту будет выведена истинная информация. Сигнал с блока 6 поступает на схему управления перфоратором 7, гарантирующую нормальную работу перфоратора 5. В определенные моменты времени на перфоленту выводится служебная информация от схемы формирования 9 по командам оператора или от датчиков тепловизора, указывающих параметры термографирования — уровень отсчета и диапазон регистрируемых температур. В момент записи служебной информации производится блокировка сигналов, поступающих с памяти 6 и служебная информация транзитом через схему управления поступает на перфоратор 5. Вывод информации осуществляется на 8-дорожковую перфоленту, позволяющую на алфавитно-цифровом печатающем устройстве (АЦПУ) получать 128 символов в строке при неограниченном их числе.
Обработка термограмм на ЭВМ проведена в онкологическом научном центре МЗ, где устройство сопряжения тепловизоров «Рубин-2» и «М-1» (фирмы «Барнес») выполнено в основном из стандартных блоков, таких как аналого-цифровой преобразователь Ф4-207-1, усилитель Ф-301, перфоратор ПЛ-150-Л или накопитель ЕС-9002 на магнитной ленте, где можно поместить 300 числовых термограмм.
После обработки ЭВМ на АЦПУ получают числовую термограмму, состоящую из 36 строк по 44 двухзначных числа, получаемых после усреднения выборок по каждым 10 точкам, т. е. 16 000 элементов разложения аналоговой термограммы превращают в 36 х 44 = 1584 чисел. Программа для ЭВМ основана на сравнении симметричных точек термограмм. Для привязки видеосигнала к температурной шкале в поле зрения тепловизора помещают 10-элемеитный ИК излучатель с линейно-ступенчатым распределением температур в диапазоне 28...38 °С.
Для составления различных алгоритмов и программ с целью машинной обработки термограмм при массовых медицинских исследованиях на базе тепловизора «Рубин-2» и ЭВМ типа «Наири-4» также создан тепловизионный комплекс. Связь осуществляется посредством блока согласования через стандартный интерфейс этой машины. Видеосигнал снимается с нагрузочного регистра ПИ и подается на специально разработанный информационно-измерительный тракт. В оптический канал тепловизора также вводится опорный сигнал от ИК излучателя. Комплекс имеет универсальный дисплей для оперативного контроля процесса обработки термоинформации, графопостроитель и АЦПУ. Диапазон измеряемых температур 20...40 °С, объем оперативной памяти 64 Кбайт, объем памяти сменного магнитного диска 2,45 • 10е байт, число элементов разложения термограммы 170х 140. Программное обеспечение состоит из ввода исходной информации и формирования базы данных, процедуры работы с файлами, обработки данных и выдачи результатов. Программа ввода написана на языке Макро-II. Запись на магнитные диски производится на уровне запросов WRITE, READ. Ввод данных ведется в диалоговом режиме. На дисплей выводятся системные сообщения, результаты обработки и инструкция, определяющая действия оператора [9]. Впоследствии ЭВМ была заменена на СМ-4 АРМ. Время ввода кадра в память ЭВМ I мин, число отсчетов в кадре — 2,5 * 10-4.
Имеется комплекс «Рубин-2» и микроЭВМ «Электроника С5-12», где для привязки к шкале температур используют два ИК излучателя, код — шестиразрядный, обеспечивающий шаг квантования 0,1°, кадр представляется 55 строками по 70 элементов. Тепловизор «Рубин-МТ» подсоединен к ЭВМ, при этом за строку делается 128 выборок видеосигнала, которые за время обратного хода сканера с буферной памяти считываются в матрицу изображения. Содержимое соседних строк усредняется так, что получается изображение из 128 х 75 элементов при 150 строках сканирования в тепловизоре.
Созданы специализированные комплексы для теплового неразрушающего контроля электрорадиоэлементов, где получаемая с 50-элемеитного приемника информация обрабатывается ЭВМ «Электроннка-100». ЭВМ может вычислить истинную температуру элементов микросхемы, которую предварительно термографируют после прогрева. Для этих целей выпущена серия микрорадиометров ИКР-3, ИКР-4, ИКР-5 и ИКАР-1, имеющих блок связи с ЭВМ.
Рис. 6.12. Структурная схема комплекса «Радуга-ЭВМ»: 1 — ИК излучение; 2 — сканирующее устройство тепловизора; 3 — модуль управления; 4 — модуль ввода; 5 — АЦП; 6 — модуль ТВ; 7 — контроллер; 8 — магистраль; 9 — устройство сопряжения; 10 — телевизор; 11 — программное обеспечение тепловизора; 12 — магистраль; 13 — ЭВМ; 14 — цифропечать; 15 — дисплей; 16 — НМД, НМЛ
Рис. 6.13. Структурная схема комплекса «Радуга-3»:
1 — тепловизор «Радуга-МТ»; 2 — оптическая головка; 3 — блок преобразования стандартов разложения; 4 — блок отображения информации; 5 — устройство сопряжения;
— крейт-контроллер СМЗ; 7 — крейт контроллер Э 60; 8 — модуль входного регистра; 9—формирователь сигналов ввода-вывода; 10 — модуль привода телевизора; 11 — монитор
В современных системах организована интерактивная обработка тепловизионных изображений, например, с использованием ЭВМ «Электроника-60», цифрового ЗУ типа 15И3100 X 100-01 с организацией 3 X 256 X 256 X 8 бит и цветовым кодированием. В комплексе «Радуга—ЭВМ» (рис. 6.12), представляющем собой промежуточную, опытную модель в развиваемом ряде «Радуга», цифровой видеосигнал получают из аналогового с помощью дополнительного АЦП, подключаемого к выходу оптико-механической головки тепловизора «Алмаз». Особенностью схемы «Радуга—ЭВМ» является применение модульно-магистральной структуры устройства сопряжения, соответствующего требованиям системы КАМАК.
Рис. 6.14. Структурная схема комплекса «Радуга-4»:
1 — тепловизор «Радуга-2»; 2 — оптическая головка; 3 — блок электроники; 4— блок электрохимической записи; 5 — черно-белое ВПУ; 6 — формирователь сигналов RGB; 7 — крейт КАМАК; 8 — модуль привода телевизора; 9 — формирователь сигналов ввода; 10 — модуль выходного регистра; 11 — формирователь сигналов ввода; 12 — формирователь сигналов RGB; 13 — крейт-контроллер СМ-3; 14 — крейт-контроллер Э-60; 15 — модуль входного регистра; 16— модуль управления накопителем; 17 — накопитель; 18— цветной дисплей
Термограммы для визуального контроля выводят на черно-белый телевизор (с помощью соответствующего модуля сопряжения), на АЦПУ, магнитную ленту или диск. Комплекс работает с ЭВМ типов СМ-3, СМ-4, «Электроиика-60». Синхронизация съема данных и их запись в ЭВМ реализуется модулем ввода, позволяющим произвести запись одного стоп-кадра за 1,76 с 120 элементов разложения изображения. При выводе на АЦПУ формат кадра изображения имеет размеры 88 X 100 элементов.
Вводя в состав модернизированного тепловизора «Радуга-МТ» устройство сопряжения (УСО), также выполненное в стандарте КАМАК, получен комплекс «Радуга-3» (рис. 6.13). УСО позволяет при использовании стандартных модулей добиться функциональной гибкости комплекса. Например, при смене крейт-контроллера УСО может работать с различными ЭВМ. В состав УСО, выполненного в виде крейта КАМАК, входят три модуля и два крейт-контроллера: модуль формирователя сигналов ввода-вывода (ФСВВ), модуль входного регистра (МВР), модуль привода черно-белого телевизора (МПТ),. крейт-контроллер СМ ЭВМ (ККСМ), крейт-контроллер Э-60 (КК Э-60). Модуль ФСВВ синхронизирует процесс вывода термоизображения из оперативного запоминающего устройства тепловизора на магистраль КАМАК. МВР принимает цифровую информацию и передает ее в ЭВМ. МПТ обеспечивает вывод графической и буквенно-цифровой информации от ЭВМ через магистраль КАМАК на экран черно-белого телевизора. ККСМ управляет работой всех модулей под действием команд мини-ЭВМ серии СМ. КК Э-60 управляет работой модулей КАМАК по командам микроЭВМ типа «Электроника- 60». При работе УСО цифровая информация в виде четырех битовых слов, с темпом 1 мкс выводится из оперативного запоминающего устройства тепловизора на ФСВВ, преобразующего синхронизирующие сигналы тепловизора в сигналы КАМАК, и передает информацию на МВР, откуда она считываете» крейт-контроллером в оперативную память ЭВМ. Крейт-контроллер дешифрирует команды и синхросигналы ЭВМ в сигналы и команды стандарта КАМАК. Процесс ввода одного кадра термоизображения в ЭВМ длится 6 е.. Процесс ввода управляется по сигналу от кнопки «Пуск», расположенной на) модуле ФСВ. На время ввода термограммы зажигается индикатор, что позволяет визуально контролировать процесс. При этом ввод происходит независимо от того, в каком режиме находится ОЗУ тепловизора.
В связи с тем что серийно выпускаемый тепловизор «Радуга-2» превосходит тепловизор «Радуга-МТ» по разрядности цифрового кода (шесть против: четырех), был создан комплекс «Радуга-4» (рис. 6.14), объединяющий «Радугу-2», УСО и ряд периферийных устройств. УСО в этом комплексе также выполнено из набора модулей магистрально-модульной системы КАМАК и состоит из двух крейт-контроллеров, модуля входного регистра (МВР),. модуля управления накопителем (МУН), модуля привода телевизора (МПТ),. формирователей сигналов ввода-вывода (ФСВВ), модуля входного регистра (МВР) и формирователя сигналов RGB — для получения цветных изображений на дисплее. «Радуга-2», входящая в состав комплекса «Радуга-4», также дополнена формирователем сигналов RGB. В состав комплекса введен: и накопитель на магнитной ленте типа «Изот», позволяющий получение и обработку термограмм разнести во времени. С помощью МВР и ФСВВ организован двухсторонний обмен информацией, содержащейся в оперативной памяти тепловизора и ЭВМ. Поэтому имеется возможность отрабатывать на ЭВМ термограммы и результаты обработки наблюдать на цветном дисплее где также наблюдаются и необработанные термограммы непосредственно с тепловизора. Формирователь сигналов RGB позволяет получать цветные черно-белые и комбинированные изображения с числом градаций до 64. Модуль привода телевизора формирует на экране черно-белую буквенно- цифровую и графическую информацию, получаемую в результате обработки, термограмм на ЭВМ. Предусмотрена постановка потребителю комплекса. «Радуга-4» с различным набором модулей, определяющих ее функциональные возможности.
Рассмотренные комплексы типа «Тепловизор-ЭВМ» являются переходными моделями на пути создания комплексов «тепловизор-микропроцессор». Особенно важно использование ЭВМ и микропроцессоров при тепловом неразрушающем контроле, где объект наблюдения подвижен. При этом возможно улучшение порога температурной чувствительности за счет накопления сигнала от участков объекта, сканируемых многократно за время их пребывания в поле зрения тепловизора.
