基于矛盾矩陣模型的紅外攝像研究

李燕平 程鯤 袁雪嬌 葛秀松

摘 要：結(jié)合TRIZ經(jīng)典創(chuàng)新理論，通過(guò)矛盾矩陣的結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新模型，分析創(chuàng)新模型的技術(shù)系統(tǒng)，找出系統(tǒng)之間最大的技術(shù)矛盾——不可見(jiàn)光與成像元件CCD，在矛盾矩陣列表中，利用TRIZ的40個(gè)發(fā)明原理，進(jìn)行不同組合的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而得到特制的"紅外燈"產(chǎn)生紅外輻射，產(chǎn)生人眼看不見(jiàn)而普通相機(jī)能捕捉到的紅外光，輻射"照明"景物和環(huán)境進(jìn)行拍攝，然后對(duì)可見(jiàn)光和紅外長(zhǎng)波得到的圖像進(jìn)行圖像融合操作，解決攝像在光線暗弱不足等特殊情況下，得到清晰高質(zhì)量圖像。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì)；TRIZ；矛盾矩陣；紅外長(zhǎng)波；圖像融合

近年來(lái)，工作在紅外波段的相機(jī)由于作用距離遠(yuǎn)、抗干擾性好、穿透云霧的能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在軍事上具有極其重要的應(yīng)用價(jià)，美國(guó)ROI公司的CA-265 相機(jī)是一種典型的中低空面陣中波紅外相機(jī)，Raytheon公司的全球鷹相機(jī)同樣工作在可見(jiàn)光和紅外波段，從國(guó)外航空相機(jī)的發(fā)展可以推測(cè)，未來(lái)相機(jī)也必然向著高空間分辨率、高時(shí)間分辨率等方向發(fā)展，但長(zhǎng)波紅外相機(jī)由于工藝等難于制造，且價(jià)格昂貴，所以長(zhǎng)波紅外相機(jī)的發(fā)展一直制約著長(zhǎng)波紅外相機(jī)性能的提高。自2007年開(kāi)始，我國(guó)科學(xué)技術(shù)部和部分地方政府的科技廳開(kāi)了對(duì)TRIZ的大圍的推廣和普及活動(dòng)。TRIZ的發(fā)散思維有助于快速跳出紅外長(zhǎng)波相機(jī)發(fā)展困境，通過(guò)矛盾矩陣的結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新模型，找到解決攝像在光線暗弱不足等特殊要求下的清晰高質(zhì)量圖像。

1 矛盾矩陣的結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新模型含義

TRIZ發(fā)明者阿奇舒勒發(fā)現(xiàn)，技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化進(jìn)程不是隨機(jī)的，而是有客觀規(guī)律可以遵循，這種規(guī)律在不同領(lǐng)域反復(fù)出現(xiàn)，并不是每個(gè)人都需要種植自己吃的糧食，我們說(shuō)著別人發(fā)明的語(yǔ)言以及文字，站在“巨人的肩膀”，借用前人的智慧一步步運(yùn)用到解決攝像在光線暗弱不足情況下，得到清晰高質(zhì)量圖像。如圖1矛盾矩陣的結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新模型所示，在創(chuàng)新模型中，針對(duì)用戶遇到的具體的創(chuàng)新問(wèn)題，定義出技術(shù)系統(tǒng)，剖析技術(shù)系統(tǒng)中的技術(shù)與物理矛盾的具體矛盾形態(tài)，結(jié)合40個(gè)創(chuàng)新發(fā)明原理的規(guī)律與模式，作用于通用矛盾形態(tài)得到用戶的具體創(chuàng)新方案。

圖1矛盾矩陣的結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新模型

2 矛盾矩陣的結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新模型分析

第一步：用戶的具體創(chuàng)新問(wèn)題分析，在夜間或光線暗弱不足，拍攝下活動(dòng)物體的瞬間抓拍等特殊情況下，要得到清晰高質(zhì)量圖像。如今的攝像數(shù)碼產(chǎn)品是集光學(xué)、機(jī)械、電子一體化的產(chǎn)品，集成了影像信息的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和傳輸?shù)炔考哂袛?shù)字化存取模式，與電腦交互處理和實(shí)時(shí)拍攝等特點(diǎn)。光線經(jīng)過(guò)成像元件是CCD或者CMOS，根據(jù)光線的不同轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，再轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)通過(guò)影像運(yùn)算芯片儲(chǔ)存在存儲(chǔ)設(shè)備中。

第二步：通過(guò)矛盾矩陣的結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新模型來(lái)分析該系統(tǒng)的技術(shù)系統(tǒng)。在具體的創(chuàng)新問(wèn)題中，每個(gè)起作用的性能的參數(shù)都可以稱為技術(shù)系統(tǒng)，而任一技術(shù)系統(tǒng)都可以包含一個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)，發(fā)揮自己的作用，稱為技術(shù)子系統(tǒng)。在圖2相機(jī)的技術(shù)系統(tǒng)中，包含了攝像、相機(jī)、光線、曝光等技術(shù)系統(tǒng)， 而在這些技術(shù)系統(tǒng)中，同時(shí)包含了DV、CCD、UV鏡、快門(mén)、反光鏡、可見(jiàn)光、波長(zhǎng)等技術(shù)子系統(tǒng)。

第三步：?jiǎn)栴}的矛盾形態(tài)分析。針對(duì)技術(shù)子系統(tǒng)進(jìn)行逐一分析，CCD、快門(mén)、反光鏡等技術(shù)子系統(tǒng)，會(huì)一定程度上影響成像質(zhì)量，但對(duì)于光線暗弱不足的情況下，卻無(wú)能為力。對(duì)于可見(jiàn)光的技術(shù)子系統(tǒng)，人的眼睛能看到的光稱為可見(jiàn)光，其余為不可見(jiàn)光，比紅光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光則稱為紅外線。在圖2技術(shù)子系統(tǒng)中，成像元件CCD必須模擬人眼，過(guò)濾掉看不到的不可見(jiàn)光，得到“眼見(jiàn)為實(shí)”的圖像，記錄實(shí)時(shí)景象。如果在光線暗弱不足，對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行抓拍等特殊情況下，傳統(tǒng)相機(jī)無(wú)法到清晰高質(zhì)量的圖像，結(jié)合TRIZ創(chuàng)新理論中的40個(gè)創(chuàng)新發(fā)明原理去改善技術(shù)系統(tǒng)的一個(gè)參數(shù)時(shí)，該系統(tǒng)的其他部分就不可避免的容易受到影響或制約，這就產(chǎn)生了技術(shù)矛盾，在圖2相機(jī)的技術(shù)系統(tǒng)表中，就構(gòu)成了光線與CCD、光線與快門(mén)、可見(jiàn)光與紅外線、波長(zhǎng)與色溫等多個(gè)技術(shù)矛盾。如在光線與快門(mén)技術(shù)矛盾中，要在技術(shù)子系統(tǒng)光線和快門(mén)之間找到平衡點(diǎn)，給其中一個(gè)子系統(tǒng)增加有用功能，就有可能導(dǎo)致另一個(gè)子系統(tǒng)產(chǎn)生有害系統(tǒng)或有用功能降低，光線太強(qiáng)，就要提高快門(mén)速度；光線不足，就要延長(zhǎng)曝光時(shí)間，有足夠的光線來(lái)獲得高質(zhì)量成像。每一對(duì)技術(shù)矛盾至少有一個(gè)物理矛盾，當(dāng)一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的參數(shù)具有一種特性，但同時(shí)需要出現(xiàn)了與該特性相反的特性的需求，則出現(xiàn)了物理矛盾。在圖2 相機(jī)的技術(shù)系統(tǒng)中，在拍照程序中要得到與肉眼一樣的圖像，就要過(guò)濾掉光線中的不可見(jiàn)光；在特殊拍照情況下，又想利用不可見(jiàn)光中的紅外線進(jìn)行光源補(bǔ)償，因此產(chǎn)生了可見(jiàn)光與紅外線最大的技術(shù)矛盾，同時(shí)物理矛盾顯得更加尖銳。

圖2相機(jī)的技術(shù)系統(tǒng)

技術(shù)系統(tǒng) 技術(shù)子系統(tǒng)

攝像 相機(jī) DV 記憶 計(jì)算機(jī) 環(huán)境

相機(jī) CCD UV鏡 快門(mén) 反光鏡 操縱

光線 可見(jiàn)光 紅外線 紫外線 波長(zhǎng)

曝光 色溫 時(shí)間

第四步：結(jié)合TRIZ的40個(gè)創(chuàng)新發(fā)明原理，解決可見(jiàn)光與紅外線之間的的矛盾形態(tài)。分析可見(jiàn)光與紅外線的矛盾矩陣，改善成像質(zhì)量就會(huì)惡化真實(shí)出像，參考40個(gè)創(chuàng)新發(fā)明原理，尋找適合具體方法作用于技術(shù)矛盾。綜合對(duì)比，分別是 “5，10，15，32，35”，每一個(gè)發(fā)明原理編號(hào)就是一種解決圖像因光線不足而拍攝不清晰的不同方法和思路。

選擇適用的發(fā)明‘原理10-預(yù)先行為和‘原理35-改變參數(shù)原則，相互組合的方式進(jìn)行不同的創(chuàng)新設(shè)計(jì)嘗試，在光線不足的情況下，改變相機(jī)部分參數(shù)，讓其接受不可見(jiàn)光來(lái)補(bǔ)充光源，由于人的身體和發(fā)熱物體發(fā)出的紅外光較強(qiáng)，可以考慮利用物體自身發(fā)出的紅外光照亮物體補(bǔ)充光源，然后將可見(jiàn)光與紅外光拍攝到的圖像進(jìn)行融合，得到高質(zhì)量且真實(shí)的圖像。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合TRIZ經(jīng)典創(chuàng)新理論，通過(guò)矛盾矩陣的結(jié)構(gòu)化創(chuàng)新模型，快速分析出可見(jiàn)光與紅外線創(chuàng)新問(wèn)題的矛盾形態(tài)，借助40個(gè)創(chuàng)新發(fā)明原理，得到通用解決方案，對(duì)方案進(jìn)行審查篩選，從而確定增加可感知紅外長(zhǎng)波的成像元件和"紅外燈"的方案二是最佳的創(chuàng)新解決方案，紅外長(zhǎng)波相機(jī)效果圖，優(yōu)勢(shì)在于：在正常拍攝條件下，關(guān)閉紅外燈，不影響相機(jī)的正常使用；在光線暗弱不足等特殊情況下，"紅外燈"產(chǎn)生紅外輻射，“照明”景物和環(huán)境，可增強(qiáng)光源，然后將正常拍攝與在“紅外燈”拍攝得到的圖像進(jìn)行圖像融合操作，得到清晰圖像；還可以記錄有關(guān)實(shí)時(shí)場(chǎng)景和目標(biāo)溫度分布的細(xì)節(jié)信息。

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