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：結合TRIZ經典創新理論，通過矛盾矩陣的結構化創新模型，分析創新模型的技術系統，找出系統之間最大的技術矛盾——不可見光與成像元件CCD，在矛盾矩陣列表中，利用TRIZ的40個發明原理，進行不同組合的創新設計，從而得到特制的"紅外燈"產生紅外輻射，產生人眼看不見而普通相機能捕捉到的紅外光，輻射"照明"景物和環境進行拍攝，然后對可見光和紅外長波得到的圖像進行圖像融合操作，解決攝像在光線暗弱不足等特殊情況下，得到清晰高質量圖像。

關鍵詞：工業設計；TRIZ；矛盾矩陣；紅外長波；圖像融合

近年來，工作在紅外波段的相機由于作用距離遠、抗干擾性好、穿透云霧的能力強等優點，在軍事上具有極其重要的應用價，美國ROI公司的CA-265 相機是一種典型的中低空面陣中波紅外相機，Raytheon公司的全球鷹相機同樣工作在可見光和紅外波段，從國外航空相機的發展可以推測，未來相機也必然向著高空間分辨率、高時間分辨率等方向發展，但長波紅外相機由于工藝等難于制造，且價格昂貴，所以長波紅外相機的發展一直制約著長波紅外相機性能的提高。自2007年開始，我國科學技術部和部分地方政府的科技廳開了對TRIZ的大圍的推廣和普及活動。TRIZ的發散思維有助于快速跳出紅外長波相機發展困境，通過矛盾矩陣的結構化創新模型，找到解決攝像在光線暗弱不足等特殊要求下的清晰高質量圖像。

1 矛盾矩陣的結構化創新模型含義

TRIZ發明者阿奇舒勒發現，技術系統進化進程不是隨機的，而是有客觀規律可以遵循，這種規律在不同領域反復出現，并不是每個人都需要種植自己吃的糧食，我們說著別人發明的語言以及文字，站在“巨人的肩膀”，借用前人的智慧一步步運用到解決攝像在光線暗弱不足情況下，得到清晰高質量圖像。如圖1矛盾矩陣的結構化創新模型所示，在創新模型中，針對用戶遇到的具體的創新問題，定義出技術系統，剖析技術系統中的技術與物理矛盾的具體矛盾形態，結合40個創新發明原理的規律與模式，作用于通用矛盾形態得到用戶的具體創新方案。

圖1矛盾矩陣的結構化創新模型

2 矛盾矩陣的結構化創新模型分析

第一步：用戶的具體創新問題分析，在夜間或光線暗弱不足，拍攝下活動物體的瞬間抓拍等特殊情況下，要得到清晰高質量圖像。如今的攝像數碼產品是集光學、機械、電子一體化的產品，集成了影像信息的轉換、存儲和傳輸等部件，具有數字化存取模式，與電腦交互處理和實時拍攝等特點。光線經過成像元件是CCD或者CMOS，根據光線的不同轉化為電子信號，再轉化為數字信號，數字信號通過影像運算芯片儲存在存儲設備中。

第二步：通過矛盾矩陣的結構化創新模型來分析該系統的技術系統。在具體的創新問題中，每個起作用的性能的參數都可以稱為技術系統，而任一技術系統都可以包含一個或多個子系統，發揮自己的作用，稱為技術子系統。在圖2相機的技術系統中，包含了攝像、相機、光線、曝光等技術系統， 而在這些技術系統中，同時包含了DV、CCD、UV鏡、快門、反光鏡、可見光、波長等技術子系統。

第三步：問題的矛盾形態分析。針對技術子系統進行逐一分析，CCD、快門、反光鏡等技術子系統，會一定程度上影響成像質量，但對于光線暗弱不足的情況下，卻無能為力。對于可見光的技術子系統，人的眼睛能看到的光稱為可見光，其余為不可見光，比紅光波長更長的光則稱為紅外線。在圖2技術子系統中，成像元件CCD必須模擬人眼，過濾掉看不到的不可見光，得到“眼見為實”的圖像，記錄實時景象。如果在光線暗弱不足，對運動物體進行抓拍等特殊情況下，傳統相機無法到清晰高質量的圖像，結合TRIZ創新理論中的40個創新發明原理去改善技術系統的一個參數時，該系統的其他部分就不可避免的容易受到影響或制約，這就產生了技術矛盾，在圖2相機的技術系統表中，就構成了光線與CCD、光線與快門、可見光與紅外線、波長與色溫等多個技術矛盾。如在光線與快門技術矛盾中，要在技術子系統光線和快門之間找到平衡點，給其中一個子系統增加有用功能，就有可能導致另一個子系統產生有害系統或有用功能降低，光線太強，就要提高快門速度；光線不足，就要延長曝光時間，有足夠的光線來獲得高質量成像。每一對技術矛盾至少有一個物理矛盾，當一個技術系統的參數具有一種特性，但同時需要出現了與該特性相反的特性的需求，則出現了物理矛盾。在圖2 相機的技術系統中，在拍照程序中要得到與肉眼一樣的圖像，就要過濾掉光線中的不可見光；在特殊拍照情況下，又想利用不可見光中的紅外線進行光源補償，因此產生了可見光與紅外線最大的技術矛盾，同時物理矛盾顯得更加尖銳。

圖2相機的技術系統

技術系統 技術子系統

攝像 相機 DV 記憶 計算機 環境

相機 CCD UV鏡 快門 反光鏡 操縱

光線 可見光 紅外線 紫外線 波長

曝光 色溫 時間

第四步：結合TRIZ的40個創新發明原理，解決可見光與紅外線之間的的矛盾形態。分析可見光與紅外線的矛盾矩陣，改善成像質量就會惡化真實出像，參考40個創新發明原理，尋找適合具體方法作用于技術矛盾。綜合對比，分別是 “5，10，15，32，35”，每一個發明原理編號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。

選擇適用的發明‘原理10-預先行為和‘原理35-改變參數原則，相互組合的方式進行不同的創新設計嘗試，在光線不足的情況下，改變相機部分參數，讓其接受不可見光來補充光源，由于人的身體和發熱物體發出的紅外光較強，可以考慮利用物體自身發出的紅外光照亮物體補充光源，然后將可見光與紅外光拍攝到的圖像進行融合，得到高質量且真實的圖像。

3 結語

結合TRIZ經典創新理論，通過矛盾矩陣的結構化創新模型，快速分析出可見光與紅外線創新問題的矛盾形態，借助40個創新發明原理，得到通用解決方案，對方案進行審查篩選，從而確定增加可感知紅外長波的成像元件和"紅外燈"的方案二是最佳的創新解決方案，紅外長波相機效果圖，優勢在于：在正常拍攝條件下，關閉紅外燈，不影響相機的正常使用；在光線暗弱不足等特殊情況下，"紅外燈"產生紅外輻射，“照明”景物和環境，可增強光源，然后將正常拍攝與在“紅外燈”拍攝得到的圖像進行圖像融合操作，得到清晰圖像；還可以記錄有關實時場景和目標溫度分布的細節信息。

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