基于矛盾矩阵模型的红外摄像研究

李燕平 程鲲 袁雪娇 葛秀松

摘 要：结合TRIZ经典创新理论，通过矛盾矩阵的结构化创新模型，分析创新模型的技术系统，找出系统之间最大的技术矛盾——不可见光与成像元件CCD，在矛盾矩阵列表中，利用TRIZ的40个发明原理，进行不同组合的创新设计，从而得到特制的"红外灯"产生红外辐射，产生人眼看不见而普通相机能捕捉到的红外光，辐射"照明"景物和环境进行拍摄，然后对可见光和红外长波得到的图像进行图像融合操作，解决摄像在光线暗弱不足等特殊情况下，得到清晰高质量图像。

关键词：工业设计；TRIZ；矛盾矩阵；红外长波；图像融合

近年来，工作在红外波段的相机由于作用距离远、抗干扰性好、穿透云雾的能力强等优点，在军事上具有极其重要的应用价，美国ROI公司的CA-265 相机是一种典型的中低空面阵中波红外相机，Raytheon公司的全球鹰相机同样工作在可见光和红外波段，从国外航空相机的发展可以推测，未来相机也必然向着高空间分辨率、高时间分辨率等方向发展，但长波红外相机由于工艺等难于制造，且价格昂贵，所以长波红外相机的发展一直制约着长波红外相机性能的提高。自2007年开始，我国科学技术部和部分地方政府的科技厅开了对TRIZ的大围的推广和普及活动。TRIZ的发散思维有助于快速跳出红外长波相机发展困境，通过矛盾矩阵的结构化创新模型，找到解决摄像在光线暗弱不足等特殊要求下的清晰高质量图像。

1 矛盾矩阵的结构化创新模型含义

TRIZ发明者阿奇舒勒发现，技术系统进化进程不是随机的，而是有客观规律可以遵循，这种规律在不同领域反复出现，并不是每个人都需要种植自己吃的粮食，我们说着别人发明的语言以及文字，站在“巨人的肩膀”，借用前人的智慧一步步运用到解决摄像在光线暗弱不足情况下，得到清晰高质量图像。如图1矛盾矩阵的结构化创新模型所示，在创新模型中，针对用户遇到的具体的创新问题，定义出技术系统，剖析技术系统中的技术与物理矛盾的具体矛盾形态，结合40个创新发明原理的规律与模式，作用于通用矛盾形态得到用户的具体创新方案。

图1矛盾矩阵的结构化创新模型

2 矛盾矩阵的结构化创新模型分析

第一步：用户的具体创新问题分析，在夜间或光线暗弱不足，拍摄下活动物体的瞬间抓拍等特殊情况下，要得到清晰高质量图像。如今的摄像数码产品是集光学、机械、电子一体化的产品，集成了影像信息的转换、存储和传输等部件，具有数字化存取模式，与电脑交互处理和实时拍摄等特点。光线经过成像元件是CCD或者CMOS，根据光线的不同转化为电子信号，再转化为数字信号，数字信号通过影像运算芯片储存在存储设备中。

第二步：通过矛盾矩阵的结构化创新模型来分析该系统的技术系统。在具体的创新问题中，每个起作用的性能的参数都可以称为技术系统，而任一技术系统都可以包含一个或多个子系统，发挥自己的作用，称为技术子系统。在图2相机的技术系统中，包含了摄像、相机、光线、曝光等技术系统， 而在这些技术系统中，同时包含了DV、CCD、UV镜、快门、反光镜、可见光、波长等技术子系统。

第三步：问题的矛盾形态分析。针对技术子系统进行逐一分析，CCD、快门、反光镜等技术子系统，会一定程度上影响成像质量，但对于光线暗弱不足的情况下，却无能为力。对于可见光的技术子系统，人的眼睛能看到的光称为可见光，其余为不可见光，比红光波长更长的光则称为红外线。在图2技术子系统中，成像元件CCD必须模拟人眼，过滤掉看不到的不可见光，得到“眼见为实”的图像，记录实时景象。如果在光线暗弱不足，对运动物体进行抓拍等特殊情况下，传统相机无法到清晰高质量的图像，结合TRIZ创新理论中的40个创新发明原理去改善技术系统的一个参数时，该系统的其他部分就不可避免的容易受到影响或制约，这就产生了技术矛盾，在图2相机的技术系统表中，就构成了光线与CCD、光线与快门、可见光与红外线、波长与色温等多个技术矛盾。如在光线与快门技术矛盾中，要在技术子系统光线和快门之间找到平衡点，给其中一个子系统增加有用功能，就有可能导致另一个子系统产生有害系统或有用功能降低，光线太强，就要提高快门速度；光线不足，就要延长曝光时间，有足够的光线来获得高质量成像。每一对技术矛盾至少有一个物理矛盾，当一个技术系统的参数具有一种特性，但同时需要出现了与该特性相反的特性的需求，则出现了物理矛盾。在图2 相机的技术系统中，在拍照程序中要得到与肉眼一样的图像，就要过滤掉光线中的不可见光；在特殊拍照情况下，又想利用不可见光中的红外线进行光源补偿，因此产生了可见光与红外线最大的技术矛盾，同时物理矛盾显得更加尖锐。

图2相机的技术系统

技术系统 技术子系统

摄像 相机 DV 记忆 计算机 环境

相机 CCD UV镜 快门 反光镜 操纵

光线 可见光 红外线 紫外线 波长

曝光 色温 时间

第四步：结合TRIZ的40个创新发明原理，解决可见光与红外线之间的的矛盾形态。分析可见光与红外线的矛盾矩阵，改善成像质量就会恶化真实出像，参考40个创新发明原理，寻找适合具体方法作用于技术矛盾。综合对比，分别是 “5，10，15，32，35”，每一个发明原理编号就是一种解决图像因光线不足而拍摄不清晰的不同方法和思路。

选择适用的发明‘原理10-预先行为和‘原理35-改变参数原则，相互组合的方式进行不同的创新设计尝试，在光线不足的情况下，改变相机部分参数，让其接受不可见光来补充光源，由于人的身体和发热物体发出的红外光较强，可以考虑利用物体自身发出的红外光照亮物体补充光源，然后将可见光与红外光拍摄到的图像进行融合，得到高质量且真实的图像。

3 结语

结合TRIZ经典创新理论，通过矛盾矩阵的结构化创新模型，快速分析出可见光与红外线创新问题的矛盾形态，借助40个创新发明原理，得到通用解决方案，对方案进行审查筛选，从而确定增加可感知红外长波的成像元件和"红外灯"的方案二是最佳的创新解决方案，红外长波相机效果图，优势在于：在正常拍摄条件下，关闭红外灯，不影响相机的正常使用；在光线暗弱不足等特殊情况下，"红外灯"产生红外辐射，“照明”景物和环境，可增强光源，然后将正常拍摄与在“红外灯”拍摄得到的图像进行图像融合操作，得到清晰图像；还可以记录有关实时场景和目标温度分布的细节信息。

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