Визуализация изображений

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ, получение видимых изображений пространственного распределения невидимых электромагнитных излучений, потоков заряженных и нейтральных частиц, звуковых, тепловых, электрических, магнитных и других полей. При этом яркость и цвет каждого элемента видимого изображения однозначно соответствуют пространственному распределению плотности мощности излучения или других физических параметров (температуры, напряжённости, давления и пр.). Наряду с непосредственным визуальным наблюдением используют и другие методы регистрации и цифровой обработки оптических изображений, в том числе с применением компьютера.

Визуализация изображений даёт важную информацию о форме, внутренней структуре, месторасположении исследуемых объектов, невидимых с помощью обычных оптических устройств из-за сильного поглощения излучения окружающей средой, недостаточного различия оптических характеристик этих сред и объектов и т.п. Визуализация изображений позволяет также определить пространственно-временные характеристики (угловую направленность, фазу, спектр) источников невидимых излучений и полей (например, ИК-лазеров, генераторов СВЧ-излучения и др.). Визуализация изображений необходима и для восстановления обычных оптических (или иных) изображений, передаваемых на дальние расстояния в системах телевидения и радиолокации.

Из-за большого различия коэффициент поглощения, рассеяния и отражения для видимого излучения и для невидимых электромагнитных волн (радио-, ИК-, СВЧ-, УФ-, гамма-излучений), для потоков микрочастиц, звуковых волн визуализированные изображения существенно отличаются от обычных видимых изображений. Это различие связано не только с типом излучения, но и с методом визуализации. Однако ко всем визуализирующим устройствам предъявляются одинаковые требования, поскольку полученные с их помощью изображения должны быть согласованы с основными характеристиками человеческого глаза: пороговой и контрастной чувствительностью, динамическим диапазоном, пространственным и временным разрешениями.

Для визуализации изображений обычно используются различные виды люминесценции: фото-, рентгено-, катодо-, хемилюминесценции. Однако качество изображений при такой визуализации не очень высокое по яркости свечения (< 100 кд/м²), пространственному разрешению (<10 мм^-1) и общему количеству независимых элементов изображения (< 10⁴), что не позволяет в полной мере использовать предельные возможности человеческого зрения. Наиболее высокое качество визуализации изображений обеспечивают катодолюминесцентные экраны современных цветных телевизоров, в которых промежуточные электронные изображения преобразуются в видимые, близкие по яркости и цвету исходным оптическим изображениям.

Успешно развиваются другие способы визуализации изображений, особенно в ИК-области излучения. Наиболее высокие чувствительность (до 10^-11 Вт/см²) и пространственное разрешение (≈30 мм^-1) обеспечивают электронно-оптические преобразователи и приборы ночного видения. В этих устройствах первичные ИК-изображения с помощью фотокатодов преобразуются в электронные изображения, которые усиливаются за счёт ускорения электронов в электрическом поле и визуализируются на катодолюминесцентном экране. В дальней ИК-области для визуализации изображений используются тепловизоры (смотри Тепловидение), у которых пороговая чувствительность доходит до 10^-7 Вт/см², что соответствует разности температур отдельных участков этих объектов до 0,05-0,1 К при относительно высоком пространственном (> 10 мм^-1) и временном (<0,1 с) разрешениях. Конечные изображения (например, лицо или другие части человеческого тела) можно представить в условных цветах, соответствующих определённым температурам. В том же спектральном диапазоне используются менее чувствительные, но более дешёвые фотоприёмные устройства с холестерическими жидкими кристаллами, а также фотохромные материалы. В ближайшей ИК-области применяются методы нелинейной оптики (параметрическое преобразование изображения из ИК-области в видимую), а также голографические методы.

В ядерной физике для визуализации траекторий заряженных частиц высоких энергий (> 100 МэВ) применяются различные трековые детекторы частиц. В электрофотографии для визуализации электростатических полей на поверхности полупроводников или диэлектриков используют заряженные частицы красящего вещества, создающие скрытое фотоизображение. Магнитные поля визуализируют с помощью железных опилок или в поляризованном свете на основе Керра эффекта. Для визуализации механических напряжений в различных объектах используют поляризованный свет (метод фотоупругости) и метод голографической интерферометрии. Визуализацию аэро- и гидродинамических потоков осуществляют с помощью интерференционных, люминесцентных и теневых методов. Методы визуализации ультразвука основаны на деформации поверхностного рельефа жидкостей, дифракции света на ультразвуке, тепловом воздействии ультразвуковых волн на жидкие кристаллы и др.

Лит.: Ллойд Дж. Системы тепловидения. М., 1978; Несеребряные фотографические процессы / Под редакцией А. Л. Картужанского. Л., 1984; Тимофеев Ю. П., Фридман С. А., Фок М. В. Преобразование света. М., 1985.