Sistema y metodologia para la transmisión de imágenes mediante mazos de fibra incoherentes.

Sistema y metodología para la transmisión de imágenes mediante mazos de fibra incoherentes.



Se presenta un sistema opto-electrónico que permite, tanto la calibración de mazos de fibras incoherentes (IOFB) para poder transmitir imagen con ellos, como la propia transmisión de imágenes. El sistema está compuesto por un banco de medida óptico, una lente de entrada, un IOFB, un sistema acoplador entre el mazo y un sensor de alta resolución, una pantalla de calibración y una Unidad de Control y Procesamiento.

Se describe la metodología que permite reorganizar la información captada por el IOFB, tal que se pueda reconstruir posteriormente la imagen presente en la entrada. La metodología incluye varios procesos como son: enfoque del IOFB, localización de las posiciones de las fibras, el cálculo de una tabla de reconstrucción de imágenes (LUT), reconstrucción de la imagen y reajuste de la calibración. Una vez calibrado el mazo puede ser utilizado en la exploración de recintos con riesgos de explosión, con altas temperaturas o radiación.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200902072.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE ALCALA..

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: BRAVO MUÑOZ,IGNACIO, LAZARO GALILEA,JOSE LUIS, GARDEL VICENTE,ALFREDO, FERNÁNDEZ BARBOSA,PEDRO RAFAEL, ESTEBAN MARTINEZ,OSCAR.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G02B6/06 SECCION G — FISICA.G02 OPTICA.G02B ELEMENTOS, SISTEMAS O APARATOS OPTICOS (G02F tiene prioridad; elementos ópticos especialmente adaptados para ser utilizados en los dispositivos o sistemas de iluminación F21V 1/00 - F21V 13/00; instrumentos de medida, ver la subclase correspondiente de G01, p. ej. telémetros ópticos G01C; ensayos de los elementos, sistemas o aparatos ópticos G01M 11/00; gafas G02C; aparatos o disposiciones para tomar fotografías, para proyectarlas o para verlas G03B; lentes acústicas G10K 11/30; "óptica" electrónica e iónica H01J; "óptica" de rayos X H01J, H05G 1/00; elementos ópticos combinados estructuralmente con tubos de descarga eléctrica H01J 5/16, H01J 29/89, H01J 37/22; "óptica" de microondas H01Q; combinación de elementos ópticos con receptores de televisión H04N 5/72; sistemas o disposiciones ópticas en los sistemas de televisión en colores H04N 9/00; disposiciones para la calefacción especialmente adaptadas a superficies transparentes o reflectoras H05B 3/84). › G02B 6/00 Guías de luz; Detalles de estructura de las disposiciones que comprenden guías de luz y otros elementos ópticos, p. ej. medios de acoplamiento. › siendo la posición relativa de las fibras la misma en los dos extremos, p. ej. para transportar imágenes.

Fragmento de la descripción:

Sistema y metodología para la transmisión de imágenes mediante mazos de fibra incoherentes.

Sector de la técnica

Esta invención se relaciona con la transmisión de imágenes visuales "encriptadas" mediante mazos de fibra ópticas no coherentes de bajo coste.

Estado de la técnica

Los sistemas de inspección visual mediante cámaras electrónicas son ampliamente utilizados en la actualidad en sistemas de control de calidad de procesos industriales, sistemas de vigilancia, posicionamiento de robots móviles, entre otras aplicaciones. Sin embargo, en lugares de difícil acceso, con condiciones extremas o a largas distancias, puede que no sea posible o conveniente el uso de señales eléctricas y aparatos electrónicos. Ejemplos de su uso en sitios de difícil acceso, pueden ser en aplicaciones médicas vinculadas a la endoscopia, periscopios y en la inspección de ambientes hostiles expuestos a altas temperaturas y/o presión, radiaciones nucleares, o simplemente recintos con riesgo de explosiones y/o corrosión así como, en sistemas de vigilancia de infraestructuras de transporte (ferroviario o por carretera). Para la transmisión de imágenes bajo estas condiciones, es posible el uso de fibras ópticas agrupadas en mazos que aunque esté acoplado en su terminal de salida a un sensor de array (cámara), ésta se encuentra aislada del medio de interés. El mazo sólo se comporta como un elemento de transporte de imágenes, y si es deseado de encriptación, pero no como un dispositivo de enfoque.

Un mazo de fibra óptica para la transmisión de imágenes está compuesto por muchas fibras ópticas (decenas de miles), dispuestas de una manera compacta, de modo que los extremos del mazo pueden modelarse como planos finitos compuestos por varios puntos-fibra. Con esta disposición, cualquier imagen proyectada en el plano de entrada del mazo se descompone en finitos puntos-fibra, y aparecería en el plano de salida como una serie de puntos luminosos. El núcleo de cada fibra capta una porción de la imagen y la entrega al otro extremo del mazo. Los mazos en general se pueden clasificar en cuanto a la forma en que se distribuyen las fibras longitudinalmente, en coherentes e incoherentes.

Los mazos coherentes son los más utilizados en el transporte de imágenes mediante fibras y han encontrado gran aplicación en la medicina, en sistemas de inspección de recintos, videoscopios, etc. Estos mazos poseen algunos inconvenientes como que generalmente están diseñados para trabajar con distancias relativamente pequeñas (pocos metros) y resultan más costosos. Sin embargo garantizan una calidad de imagen buena.

Los IOFBs generalmente están diseñados para la distribución de luz por lo que no mantienen la relación espacial de las fibras entre la entrada y la salida, produciendo una especie de codificación natural de la imagen, la cual es específica para cada mazo. No suelen estar sometidos al proceso denominado como fusión, el cual, en los mazos coherentes es el responsable de que a distancias cercanas a 4 metros las interferencias entre las fibras produzcan un efecto borroso en la imagen transmitida. Estas características hacen que si se quieren utilizar en la transmisión de imágenes, los IOFB son dispositivos capaces de transmitir la información a mayores distancias que los coherentes. Además, resultan elementos más flexibles que se pueden utilizar en recintos cerrados y bajo ambientes hostiles siendo más baratos. Sin embargo requieren una mayor complejidad en el tratamiento de la información.

La patente de Dujon et al., "Visual image Transmission by fibre optic cable" (No. Patente US 5327514, Jul. 5, 1994), describe un método de calibración de IOFB para la transmisión de imágenes, utilizando varias imágenes patrones para determinar la relaciones entrada-salida del mazo. Las imágenes patrones están conformadas por franjas (verticales y horizontales) de diferente anchura cada vez, según una codificación de espacios. Si bien se utilizan pocas imágenes de calibración, la calibración del mazo requiere de un sistema óptico un poco más exigente en cuanto a resolución óptica se refiere.

En la patente de Roberts et al., "Robust incoherent líber optic bundle decoder" (No. Patente US 6587189 B1, Jul. 1, 2003) se describe un aparato y la metodología de calibración de un IOFB. El sistema descrito logra calibrar el mazo de fibra realizando un barrido de imágenes conformadas por líneas (verticales u horizontales) pero a diferencia con el trabajo de Dujon son de ancho fijo. La decodificación resulta más sencilla aunque se requiere procesar un mayor número de imágenes. Buscando para cada fibra en qué posición de la franja se obtiene la máxima excitación (tanto en el barrido horizontal como el vertical), se construye una tabla LUT que permite reconstruir la imagen. Para ello los autores sugieren la localización de las posiciones de las fibras mediante transformaciones morfológicas para facilitar la construcción de la LUT.

Explicación de la invención

Esta patente describe un sistema de calibración y transmisión de imágenes utilizando IOFBs. También, se detallan los diferentes procedimientos involucrados en el enfoque de la óptica de entrada del IOFB, la calibración, el reajuste de calibración, así como, la reconstrucción de las imágenes capturadas.

El sistema utiliza un IOFB como elemento de transporte. Si bien estos mazos poseen desventajas notables respecto a los coherentes, permiten mediante un proceso de calibración, la transmisión de imágenes a distancias mayores, así como transmitir totalmente codificada la señal útil. Estas características lo hacen potencialmente interesante en aplicaciones industriales de vídeo-vigilancia en zonas de alto riesgo corrosivo, alta humedad, con peligro de radioactividad o explosión, y en aquellos casos en que se necesite transmitir imágenes de forma óptica a grandes distan- cias.

El sistema que se describe sirve tanto para la calibración del sistema de transmisión como para la reconstrucción de las imágenes transmitidas. En la figura 1 se representa un diagrama general del sistema de calibración. Los diferentes elementos han sido representados separados entre sí para dar una idea más clara. El sistema está constituido fundamentalmente por (Figura 1):

IOFB (1): Elemento de transporte de imágenes.

Recinto oscuro (2): Permite aislar el sistema de entrada del mazo de cualquier reflejo o efecto externo, durante la calibración. No es necesario para poder reconstruir imágenes reales una vez calibrado el sistema.

Unidad de Control y Proceso (3): Este bloque es el encargado de controlar la calibración del mazo y de todo el control de la cámara. Una vez calibrado el sistema, es el encargado de la captura y almacenamiento de imágenes, de la reconstrucción de éstas y del reajuste de la calibración del sistema cuando se requiere readaptar al sistema a nuevas condiciones.

Adaptadores de fibra (4): Su forma depende de cada mazo específico y permite la conexión de diferentes modelos al sistema.

Sistema de sujeción del mazo (5): Permite que ambos extremos del mazo se puedan fijar a la estructura que corresponda.

Sistema de acople del mazo a la cámara (6 y 9): Acopla el mazo a la cámara mediante un sistema de lentes (6) y permite controlar la profundidad de campo mediante un diafragma o iris (9).

Pantalla LCD de alta luminosidad y resolución (7): Proyecta imágenes patrones durante el proceso de calibración. Debe ser capaz de emitir suficiente energía para excitar a las fibras.

Soporte de pantalla (8): Garantiza que la óptica esté perpendicular a la pantalla y evita errores de perspectiva en la calibración.

Cámara o sensor (10): Dispositivo de alta resolución gobernado por la Unidad de Control y Procesamiento. Capta una imagen codificada desde el mazo a través del sistema de acople mazo-cámara.

Acople de óptica (11): Permite adaptar ópticas con diferentes monturas al sistema de sujeción del mazo.

Óptica de entrada al mazo (12): Proyecta las imágenes en la cara de entrada del mazo. Puede ser una óptica de montura estándar y puede requerir de un sistema de acople al sistema de sujeción del mazo.

Soporte móvil y riel (13 y 14): Ajusta el sistema, con el fin de que se maximice el área de barrido de la pantalla con influencia en la entrada del IOFB. Esto permite optimizar la resolución de barrido en función...

 


Reivindicaciones:

1. Sistema para la transmisión de imágenes remotas utilizando mazos de fibras ópticas incoherentes (IOFBs) y para la calibración del mazo, caracterizado por estar constituido por: una cámara (10) que captura la información transmitida por un IOFB (1) mediante los elementos ópticos (6, 9 y 12); una Unidad de Control y Procesamiento (3) que gobierna un monitor (7) y procesa las imágenes capturadas por la cámara (10); dos accesorios (4 y 5) que permiten la sujeción y el acoplamiento de diferentes IOFBs al sistema; un accesorio (11) para acoplar diferentes monturas de óptica en la entrada y un banco de calibración necesario para la calibración del sistema y que está formado por un recinto oscuro (2) y unos soportes (8, 13 y 14).

2. Método para la configuración óptima de un sistema para la transmisión de imágenes remotas utilizando IOFBs, según la reivindicación 1, que comprende los siguientes procedimientos:

a) calibración del sistema para calcular la función de transferencia, entre la entrada y la salida, necesaria para recuperar y corregir cualquier imagen transmitida.

b) reajuste de la calibración del sistema cuando el mazo (1) se sitúa en una posición distinta a la que tenía durante la calibración original, se sustituye por otro diferente o se cambia la cámara (10).

c) reconstrucción de la imagen final captada por la cámara (10) mediante los resultados de la calibración previa.

3. Método para la configuración óptima de un sistema para la transmisión de imágenes remotas utilizando IOFBs, según la reivindicación 2, caracterizado porque el procedimiento de calibración del sistema comprende las siguientes etapas:

a) Una etapa de preparación del sistema para la calibración basado en el siguiente conjunto no separable de acciones:

i.Enfoque de la óptica de entrada (12) del IOFB (1) midiendo el nivel de energía que es capaz de transportar un grupo localizado de fibras y que es necesaria para obtener una buena calidad de calibración. ii.Localización de las posiciones de las fibras en la imagen captada por la cámara (10). iii.Cálculo de los factores de corrección de intensidades o de ecualización de las respuestas de cada fibra (αi) para igualar las funciones de transferencia de las fibras. b) Una etapa de cálculo de la tabla de reconstrucción o LUT basado en el siguiente conjunto no separable de acciones:

i.Barrido de la entrada del IOFB (1) utilizando una serie de imágenes formadas por franjas luminosas proyectadas desde un monitor (7) sobre la entrada del mazo. Las franjas deben iluminar de manera única y en dos dimensiones a todas las fibras del IOFB. ii.Análisis de cada imagen resultante en la salida del mazo para determinar en qué posiciones de la entrada, cada una de las fibras alcanzó su mejor grado de excitación. Estos resultados se almacenan en una LUT o tabla de reconstrucción. iii.Depuración de los resultados obtenidos en la tabla de reconstrucción con la intención de eliminar posibles redundancias y errores.

4. Método para la configuración óptima de un sistema para la transmisión de imágenes remotas utilizando IOFBs, según la reivindicación 2, caracterizado porque el procedimiento de reajuste de la calibración del sistema comprende las siguientes etapas:

a) Identificar las regiones que correspondan en ambas imágenes (al menos 4 regiones) mediante descriptores de formas partiendo de una huella original del mazo y la nueva huella captada por el sensor.

b) Calcular la matriz de transformación geométrica que permitiría la correspondencia entre las posiciones de las fibras anteriores y actuales.

c) Mediante la matriz de transformación se recalculan y actualizan las posiciones de las fibras en la LUT.

5. Método para la configuración óptima de un sistema para la transmisión de imágenes remotas utilizando IOFBs, según la reivindicación 2, caracterizado porque en el procedimiento de reconstrucción de la imagen final se realiza el siguiente conjunto no separable de acciones:

a) reorganizar la información de la imagen desordenada captada en la cámara (10) a través de una tabla de reconstrucción (LUT) obtenida del procedimiento de calibración, según la reivindicación 2, y que consiste en reubicar y corregir los niveles de gris aportados por cada fibra en el sensor hacia las posiciones indicadas en cada registro de la LUT formándose una imagen primitiva.

b) reconstrucción de la imagen final que consiste en convolucionar la imagen primitiva, de forma iterativa, con un filtro digital conocido sobre las posiciones vacías y posteriormente restaurando a su estado original los píxeles inicialmente conocidos. Esta acción rellena progresivamente los espacios vacíos presentes en la imagen primitiva con niveles de gris que guardan relación con su vecindad.


 

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