Методы измерений, контроля, диагностики 92 Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 УДК 535.33 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВОЙ ФОТОКАМЕРЫ CANON 1000D ДЛЯ МУЛЬТИЗОНАЛЬНОЙ СЪЕМКИ В СПЕКТРАЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ Каплевский К.Н.1, Самцов М.П.2, Гулис И.М.1, Тарасов Д.С.1 1 Белорусский государственный университет, г. Минск, Республика Беларусь 2 НИИ прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко Белорусского государственного университета, г. Минск, Республика Беларусь Показана возможность применения цифровой фотокамеры CANON 1000D для мульти- зональной съемки. Установлено, что динамический диапазон значений регистрируемых интенсивностей сигнала составляет от 260 до 3650 уровней квантования АЦП. Иссле- дована линейность сигнала светочувствительного элемента фотоаппарата в зависимо- сти от его освещенности и времени экспозиции.(E-mail: kapleu@tut.by) Ключевые слова: мультизональная съемка, спектроскопия с пространственным разрешением. Введение В настоящее время в прикладной спектро- скопии интенсивно развиваются новые методы, позволяющие получать и анализировать спек- троскопическую информацию об объекте c раз- решением по пространственным координатам. Такие методы спектроскопии с пространствен- ным разрешением (СПР), обеспечивающие по- лучение оптического спектра для множества малых фрагментов исследуемой области, полу- чили название «мультиобъектных», а в случае если регистрируется полная пространственно- спектральная картина – «гиперспектральных». Мультиобъектная спектроскопия и гиперспек- троскопия находят все более широкое приме- нение в медицинской диагностике, дистанци- онном мониторинге земной поверхности, кри- миналистике, полиграфии, при экспертизе про- изведений искусства, в сельском и лесном хо- зяйстве, пищевой и фармацевтической про- мышленности, для спектроскопии одиночных квантовых объектов и астрономических иссле- дований [1–5]. В зависимости от круга решаемых задач в СПР используются следующие подходы в ап- паратурной реализации. Аппаратура, основанная на мультиспек- тральной (мультизональной) съемке, обеспечи- вающей регистрацию изображений объектов в относительно небольшом числе относительно широких спектральных полос [5], которые обеспечиваются набором сменяемых полосо- вых светофильтров либо перестраиваемых фильтров (акустооптических, двулучепрелом- ляющих, клиновых интерференционных и др.). Недостатки такой аппаратуры обусловлены обычно небольшим спектральным разрешением (десятки нанометров), низким контрастом вследствие широкополосного фонового про- пускания и, соответственно, сниженной ин- формативностью. Гиперспектрометры позволяют получить для каждой точки двумерного изображения объ- екта оптический спектр (гиперспектральное изображение), характеризующийся спектраль- ным разрешением порядка единиц, а иногда и долей нанометров [6, 7], т.е. существенно более высоким, чем обычно в мультиспектральной съемке. Наиболее часто гиперспектральное изображение формируется путем сканирования изображения объекта в плоскости входной щели дисперсионного спектрометра. Этот подход ши- роко применяется в системах мониторинга зем- ной поверхности приборами с аэрокосмическим базированием, где сканирование осуществляется за счет движения несущего аппарата. Имеются единичные разработки, где такой подход ис- пользуется в приборах для микроскопических исследований в гистологии и цитологии. К не- достаткам гиперспектрального метода следует отнести связанность пространственного и спек- Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 93 трального разрешений, необходимость опериро- вать большими трехмерными массивами, значи- тельное время (порядка нескольких минут), не- обходимое для получения гиперспектрального изображения. Использование сканирующего конфокального микроскопа, сопряженного с дисперсионным спектрометром, также позво- ляет получить гиперспектральное изображение. Достоинством такого подхода является возмож- ность получения пространственного разрешения по глубине образца, однако время регистрации может оказаться большим при работе с боль- шими участками объекта. Во множестве практических применений приходится иметь дело с документами, произ- ведениями изобразительного искусства, образ- цами тканей, широко используемыми в крими- налистике липкими пленками, биологическими культурами в чашках Петри и др. Как правило, распределение полезной информации на этих объектах является неоднородным: высокоин- формативными оказываются некоторые малые участки, площадь которых существенно (часто на порядки) меньше площади всего объекта. Реги- страция гиперспектрального изображения объек- та целиком весьма нерациональна, поскольку со- пряжена с получением огромных массивов дан- ных, подавляющая часть которых заведомо ма- лоинформативная. В то же время общий обзор объекта является необходимым условием выбора по определенным спектроскопическим критери- ям информационно-значимых участков для по- следующего более детального анализа с исполь- зованием микроспектрометрии. В настоящее время авторами статьи прово- дится разработка видеомикроспектрометриче- ского комплекса, предназначенного для анализа спектральных характеристик пространственно сложных объектов. Разрабатываемая аппара- тура исключает вышеперечисленные недо- статки в существующих аппаратурных реали- зациях СПР и в то же время обладает всеми их возможностями. В частности, для проведения предварительного анализа спектральных харак- теристик исследуемого объекта с помощью мультизональной съемки с целью обнаружения информационно-значимых участков предпола- гается использование цифровой фотокамеры Canon 1000D с набором светофильтров. Специ- фика такого применения требует от фотокамеры широкого динамического диапазона значений регистрируемых интенсивностей света (не менее 1000:1), а также линейной зависимости этих зна- чений от светового потока, падающего на по- верхность светочувствительного элемента. В настоящей работе приведены результаты по установлению фотометрических характери- стик такой камеры, а именно, изучение линей- ности сигнала светочувствительной матрицы от времен регистрации и интенсивности регистри- руемого излучения. Результаты Фотокамера Canon 1000D представляет со- бой цифровую однообъективную зеркальную ка- меру с автофокусировкой, автоэкспозицией, встроенной вспышкой и однокристальным КМОП датчиком изображения размером 22,2 × × 14,8 мм с 10,5 млн пикселей. Выбор именно этой камеры обусловлен доступностью на рынке, возможностью программного управления ею с помощью персонального компьютера, входя- щего в состав разрабатываемого комплекса, а также относительно небольшой стоимостью по сравнению со своими аналогами от других производителей. Кроме этого, свойства КМОП датчика исключает растекание зарядов из пере- свеченных пикселей в соседние (эффект блю- минга). Как и большинство современных цифровых фотокамер Canon 1000D предоставляет возмож- ность получения информации с каждого свето- чувствительного пикселя в необработанной фор- ме (RAW), в том числе и без коррекции спек- тральной чувствительности фотоприемника: в виде двоичного 12-разрядного числа. Это обстоя- тельство позволяет использовать бытовые фото- камеры в научных целях для оценки интенсивно- стей света, попадающего на разные участки све- точувствительного элемента. В этой связи неже- лательным является то, что каждый светочув- ствительный пиксель накрыт светофильтром од- ного из трех основных цветов (красным, зеленым или синим) для получения цветного изображения, причем зеленых фильтров в два раза больше (фильтр Байера). В то же время наличие све- тофильтров обеспечивает мультизональную съемку в трех спектральных диапазонах одно- временно, и эту возможность можно использо- вать в разрабатываемой аппаратуре для грубой спектральной фильтрации изображения исследу- емого объекта. По существу, при каждой съемке получается четыре изображения, информация о которых в цифровой форме сохраняется в файле формата RAW. Дешифровка файла может быть Методы измерений, контроля, диагностики 94 Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 проведена с помощью стандартного программно- го модуля dcraw.exe [8]. Для детального исследования возможностей применения выбранной фотокамеры разработа- но оригинальное программное обеспечение, позволяющее получать и проводить анализ че- тырех цифровых изображений, построенных из пикселей, расположенных под красными, сини- ми и зелеными фильтрами. С целью уменьшения влияния шумовых факторов по отдельным пик- селям, анализ регистрируемой интенсивности сигнала проводился путем нахождения инте- гральной интенсивности на одном и том же за- данном фрагменте каждого из изображений и последующего определения интенсивности, ре- гистрируемой в среднем одним пикселем на этом фрагменте. Для обеспечения одинаковых условий уменьшения шумовых факторов в раз- ных спектральных диапазонах одно из «зеле- ных» изображений не учитывалось, т.е. количе- ство пикселей, расположенных под красными, синими и зелеными фильтрами было одинако- вым. В качестве объекта фотографирования вы- ступал светодиод белого свечения с диаметром светящейся области порядка 1 мм в 5- миллиметровом корпусе. Спектр его излучения (рисунок 1) зарегистрирован с помощью спек- трофлуориметра FLUOROLOG фирмы SPEX. Питание светодиода осуществлялось стабилизи- рованным источником тока. Диаметр изображе- ния светодиода, измеренный на 19'' мониторе с разрешением 1280 × 1024, составлял примерно 10 мм при отображении каждого отдельного пикселя светочувствительной матрицы фотоап- парата одним пикселем на мониторе, т.е. без масштабирования. Усреднение регистрируемой интенсивности сигнала проводилось по всей об- ласти изображения светодиода. Получены зависимости регистрируемой интенсивности сигнала от освещенности, со- здаваемой объективом фотокамеры, и времени экспозиции. Освещенность регулировалась пу- тем изменения диафрагменного числа k при постоянном времени экспозиции. Функцио- нальная зависимость относительной освещен- ности от диафрагменного числа найдена исходя из известного выражения для освещенности [9], создаваемой объективом фотокамеры на любой светочувствительной поверхности, которая пропорциональна квадрату относительного от- верстия объектива, т.е. ( ) , где D – вели- чина диафрагмы, f – фокусное расстояние объ- ектива. Согласно определению, диафрагменное число , откуда ( ) , где Eo – макси- мальная освещенность, создаваемая объекти- вом фотокамеры при данных условиях и для минимального у этого объектива диафрагмен- ного числа k0 = 4. Время экспозиции задавалось значением из стандартной шкалы выдержек фотоаппарата в долях секунды. Рисунок 1– Спектр излучения светодиода белого свечения На рисунках 2 и 3 приведены зависимости регистрируемых интенсивностей сигнала от от- носительной освещенности светочувствитель- ной матрицы и времени экспозиции для трех изображений светодиода в разных спектральных каналах, полученных одновременно при каждой фотосъемке. Можно предположить, что наи- большее значение интенсивности, регистри- руемой в среднем одним пикселем для «зеле- ного» спектрального канала обусловлено мак- симальной чувствительностью матрицы фото- элементов в данном спектральном диапазоне. Следующим по величине является сигнал, заре- гистрированный в «синем» канале, что связано с максимумом излучения источника света в этой спектральной области (рисунок 1). Самый сла- бый сигнал был на «красном» изображении, ве- роятно из-за небольшой чувствительность мат- рицы и светоизлучающей способности источ- ника. Заметное отклонение от линейной зависи- мости интенсивности регистрируемого света от относительной освещенности при максимальном ее значении во всех спектральных каналах (ри- сунок 2) можно объяснить неточной установкой диафрагменного числа по шкале объектива фо- тоаппарата. Подтверждением такой интерпрета- ции является сохранение нелинейного характера Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 95 зависимости при изменении яркости регистри- руемого источника света. В результате исследований установлено, что любой пиксель светочувствительной матрицы фотоаппарата имеет диапазон значений реги- стрируемых интенсивностей сигнала от 260 до 3650 уровней квантования встроенного аналого- цифрового преобразователя (АЦП) (рисунок 3). Рисунок 2 – Зависимость регистрируемых интенсив- ностей сигнала от относительной освещенности све- точувствительной матрицы для трех спектральных каналов (R – красный; B – синий; G – зеленый) Рисунок 3 – Зависимость регистрируемых интенсив- ностей сигнала от времени экспозиции для трех спектральных каналов (R – красный; B – синий; G – зеленый) Полученные результаты демонстрируют техническую возможность с помощью фотока- меры Canon 1000D проводить мультизональную съемку в трёх спектральных каналах, а также достаточно линейную зависимость цифрового сигнала в широком диапазоне (порядка 2500), что позволяет использовать эту камеру для ком- плекса аппаратуры в качестве регистратора мультиспектральных изображений Заключение Фотокамера CANON 1000D пригодна для использования в спектральной аппаратуре с пространственным разрешением в качестве ре- гистратора мультиспектральных изображений. Реализована возможность проведения муль- тизональной съемки в трех спектральных диапа- зонах одновременно. Диапазон значений реги- стрируемых интенсивностей сигнала составляет от 260 до 3650 уровней квантования АЦП. Установлен диапазон линейной зависимости регистрируемых интенсивностей от выше ука- занных параметров, который составляет от 260 до 2750 уровней квантования АЦП. Список использованных источников 1. Swayze, G.A. Using imaging spectroscopy to map acidic mine waste / G.A. Swayze [et al.] // Envi- ronmental Science and Technology. – 2000. – V. 34. – P. 47–54. 2. Gomez, R. Hyperspectral imaging: a useful tech- nology for transportaion analysis / R. Gomez // Opt. Eng. – 2002. – V. 41. – P. 2137–2143. 3. Borengasser, M. Hyperspectral remote sensing: principles and applications / M. Borengasser, W. Hungate, R. Watkins. – Boca Raton : CRC, 2007. – Р. 63–110. 4. Govender, M. A review of hyperspectral remote sensing and its application in vegetation water re- source studies / M. Govender, K. Chetty, H. Bul- cock // Water S.A. –2007. – V. 33. – P. 145–151. 5. Жиленев, М.Ю. Обзор применения мультиспек- тральных данных ДЗЗ и их комбинаций при цифровой обработке / М.Ю. Жиленев // Геома- тика. – 2009. –Т. 4. № 3. – С. 56–64. 6. Воропай, Е.С. Дисперсионный гиперспект- рометр с реконфигурируемой входной апер- турой на основе микрозеркальной матрицы / Е. С. Воропай [и др.] // Вестник БГУ. – Серия 1. – 2009. – № 3. – С. 31–35. 7. Воропай, Е.С. Мультиобъектный спектрометр с микрозеркальной матрицей / Е.С. Воропай [и др.] // Журн. прикл. спектр. –2010. – Т. 71, № 2. – С. 305–312. 8. Расшифровка сырых (RAW) цифровых фо- тографий // Персональная страница Д. Коффина [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.cybercom.net/~dcoffin/dcraw/и index_ru.html. – Дата доступа: 27.12.12. 9. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф. – М. : Наука, 1973. – 720 с. Методы измерений, контроля, диагностики 96 Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 ______________________________________________________________ Kaplevskiy K.N., Samtsov M.P., Gulis I.M., Tarasov D.S. Study of using CANON 1000D digital camera for multizone photography with spatially-resolved spectral devices The possibility of use a CANON 1000D digital camera for multizone photography is demonstrated. It is found that a dynamic range of the recorded light intensities is varied from 260 to 3650 quantization levels of the ADC. Linearity of the light-sensitive element of the camera has been studied in dependence on its illumi- nation and exposure time. (E-mail: kapleu@tut.by) Keywords: multizone photography, spatially resolved spectroscopy. Поступила в редакцию 28.12.2012.