Содержание к диссертации
Введение
1. Специализированные системы ввода информации в эвм с микроформ 13
1.0. Введение 13
1.1. Технологический процесс аналого-цифрового микрофильмирования
1.2. Принципы анализа изображений при аналого-цифровом микрофильмировании - 21
1.3. Кодирование сигналов в системах считывания информации 24
1.4. Методы и средства преобразования изображений в электрический сигнал 27
1.4.1. Считывание информации с помощью электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) 27
1.4.2. Лазерные устройства считывания информации 29
1.4.3. Использование приборов с зарядовой связью для считывания информации 32
1.5. Микрофильм как носитель изображения документов 37
1.6. Постановка задачи 45
1.7. Выводы 46
2. Математическое описание механизма формирования изображения на микрофильме 47
2.0. Введение 47
2.1. Модель функции поглощения 47
2.1.1. Функция поглощения единственного микрокристалла серебра (одномерный случай) 47
2.1.2. Функция поглощения единственного микрокристалла серебра (двумерный случай) 51
2.2. Модель функции поглощения множества микрокристаллов серебра
2.3. Шум изображения на микрофильме
2.4. Информационная емкость микрофильма
2.4.1. Верхний предел информационной емкости
2.4.2. Реальная информационная емкость микрофильма
2.4.3. Информационная емкость статистически связных пикселей
2.5. Информационные характеристики микрофильмированной чертежно-графической информации
2.5.1. Энтропия штриховых микрофильмированных изображений
2.5.2. Причины перекрытия гистограмм распределения уровней поглощения "штриха" и "фона"
2.6. Выводы
3. Моделирование технических средств аналого-цифрового микрофильмирования
3.0. Введение
3.1. Частотные искажения при создании светового потока в предметной плоскости объектива
3.2. Пространственные частотные искажения сигнала, вносимые объективом
3.3. Передаточная функция оптоэлектронного преобразователя
3.3.1. Дискретизация одномерного сигнала
3.3.2. Дискретизация сигнала в плоскости изображения
3.3.3. Потери информативности сигнала при дискретизации
3.3.4. Потери информативности сигнала при переносе зарядовых тов в приборах с зарядовой связью
3.4. Частотные искажения при усилении сигнала
3.5. Квантование сигналов сканера ОМ-системы 116
3.5.1. Принцип квантования 116
3.5.2. Шум квантования 118
3.5.3. Спектральные искажения сигнала при квантовании 121
3.6. Сквозная пространственно-частотная характеристика
сканера С1М-системы 123
3.7. Выводы 127
4. Экспериментальные исследования сканеров сім-систем 130
4.0. Введение 130
4.1. Экспериментальный образец сканера с микрофильма 130
4.1.1. Механический узел сканера 13 0
4.1.2. Оптический узел 134
4.1.3. Фотоэлектронный преобразователь 138
4.1.4. Общая схема экспериментального образца 141
4.2. Исследование информационной емкости микрофильма 144
4.3. Имитационное моделирование сканеров С1М-систем 152
4.3.1. Синтез моделей эталонных изображений 152
4.3.2 Процесс дискретизации изображения 154
4.3.3. Оценка шумов ОМ-системы 155
4.4. Выводы 157
Заключение 158
Список литературы
- Принципы анализа изображений при аналого-цифровом микрофильмировании
- Функция поглощения единственного микрокристалла серебра (одномерный случай)
- Передаточная функция оптоэлектронного преобразователя
- Исследование информационной емкости микрофильма
Введение к работе
Актуальность темы. В современном мире документированная информация имеет важное значение для всех структур общества, начиная от межгосударственных организаций, и кончая мелкими коммерческими фирмами, семьями и отдельными гражданами. Сама документальная информация неотделима от ее носителя, который, являясь материальным образованием, имеет ограниченный срок службы именно как носитель информации. Указанный срок существенно сокращается при воздействии на носитель в форс-мажорных обстоятельствах: при военных конфликтах, чрезвычайных ситуациях, вызванных пожарами, техногенными авариями, природными катастрофами, террористическими актами и т.п. Частичная или полная утрата документов, их несанкционированное изменение, в свою очередь, приводит к невосполнимым потерям, как материальным, так и юридического характера.
Одним из наиболее древних способов документирования является занесение информации на бумагу. Однако, хранение значительных массивов данных на бумажных носителях нецелесообразно вследствие значительных затрат на аренду и содержание площадей а также на энергоресурсы, затрачиваемые на поддержание устойчивых климатических условий, обеспечивающих длительное хранение бумаги.
Распространенный в последнее время способ хранения информации в закодированном виде на электронных носителях также вряд ли целесообразен по следующим причинам:
низкий срок гарантированного хранения информации на большинстве типов электронных носителей (для магнитных носителей срок хранения не превышает года, для CD-ROM - нескольких лет);
необходимость поддержания жестких климатических условий в течение всего срока хранения микрофильма, а также проведения регламентных работ по поддержанию информационного массива в актуальном состоянии путем периодической перезаписи и верификации перезаписанной информации;
необходимость использования аппаратно-программных комплексов обес печивающих управление считыванием информации и преобразование ее к виду, удобному для восприятия человеком-оператором;
необходимость расходования энергетических и/или материальных ресурсов при доступе к информации;
необходимость хранения аппаратно-программных средств, в течение всего срока хранения информации;
существование опасности несанкционированного изменения содержания документа, факт которого впоследствии невозможно обнаружить.
Промежуточное положение между бумажными и электронными носителями информации занимают микрофильмы, представляющие собой фотопленку с изображением документа. Микрофильм, как носитель информации обладает следующими достоинствами [53]:
для хранения микрофильма не требуется таких значительных площадей, как для хранения бумажных носителей;
климатические условия при хранении микрофильмов могут быть менее жесткими, чем при хранении бумаги и гораздо менее жесткими, чем при хранении электронных носителей;
для нанесения информации на микрофильм не требуется сложного оборудования, информация может быть нанесена как путем прямого микрофильмирования документов на бумажных носителях, так и путем генерации с помощью программных средств ЭВМ с последующий регистрацией через СОМ-системы (Computer Output Microfilm);
геометрические размеры и оптические свойства микрофильма жестко регламентированы, что делает возможным применение его в качестве носителя в автоматизированных информационно-поисковых системах и сближает с электронными носителями;
длительный гарантированный срок хранения, в течении которого микрофильм не требует перерегистрации информации, что позволяет хранить в неизмененном виде микрофильмы т.н. первого поколения (микрофильмированные копии оригиналов документов);
в процессе хранения информации в нее не могут быть внесены несанкционированные изменения, которые впоследствии невозможно обнаружить, что делает возможным юридическое закрепление за микрофильмом статуса подлинника;
при использовании микрофильма не требуется параллельного хранения специализированных технических средств доступа и соответствующего программного обеспечения, доступ к информации может быть осуществлен с помощью любого имеющегося оборудования по доступу к изображениям, в частности в форс-мажорных обстоятельствах изображение может быть просмотрено с помощью читального аппарата упрощенной конструкции.
Перечисленные достоинства микрофильма обусловили создание в соответствии с рядом постановлений Правительства Российской Федерации Страхового Фонда Документации (СФД), представляющего собой массив специально изготовленных на микрофильмах страховых копий важнейших для государственных нужд документов. Это создает необходимые условия для создания информационно-поисковых систем для широкого доступа к микрофильмированной информации, в том числе и дистанционного.
Основным элементом при аналого-цифровом микрофильмировании является CIM-система (Computer Input Microfilm), осуществляющая сканирование микрофильма, измерение его оптических параметров, перевод результатов измерения в последовательность цифровых кодов и ввод в ЭВМ. Указанный процесс называется аналого-цифровым микрофильмированием. В настоящее время существует проблема, заключающаяся в отсутствия достаточно простого и надежного технического средства доступа ЭВМ к микрофильмам. Таким образом наличие потребности в создании СФД с высокой степенью автоматизации технологических процессов и отсутствие простых и надежных сканеров CIM-систем делают задачу проведения исследований по разработке методов их проектирования весьма актуальной.
Объектом исследования диссертационной работы является сканер CIM-системы, осуществляющий измерение оптических параметров микрофильма, перевод результатов измерения в цифровую форму и ввод данных в ЭВМ, и формирующий таким образом интерфейс между массивами микрофильмированной информации в СФД и современными программно-техническими средствами обработки изображений.
Предметом исследования диссертационной работы являются характеристики CIM-систем, как средства для измерения оптических параметров микрофильма, обеспечивающие их устойчивое функционирование в составе автоматизированных средств доступа к микрофильмированной информации.
Общими вопросами теории создания систем репрографии занимались отечественные ученые Р.Н. Иванов, А.А. Слуцкин, А.К. Талалаев. Проблемами проектирования оптоэлектронных преобразователей изображений занимались отечественные ученые Л.П. Ярославский, Г.П. Катыс, Ф.П. Пресс, и зарубежные ученые У. Прэтт, А. Папулис, Т. Джеймс. В известных работах по предмету исследования показано, что необходимым при разработке сканеров автоматизированных систем является этап расчета параметров элементов оптоэлектронных преобразователей, обеспечивающих общие заданные характеристики сканера.
Ниже предлагается общий подхода к расчету который опирается на аналитические методы математического моделирования оптоэлектронных систем и процессов в них. Для этого используются теория оптических систем, теория случайных процессов, теория формирования и обработки изображений.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов синтеза сканеров СІМ-систем на основании построения их сквозных частотных характеристики.
Задачи исследований.
1. На основании исследования общего принципа формирования изображений на микрофильмах разработка математической модели формирования изображений, связывающей статистические характеристики микрокристаллов серебра с оптическими параметрами микрофильма.
2. Определение параметров шума пространственного сигнала, хранимого
на микрофильме, по статистическим характеристиками информационного слоя.
3. Исследование информационных характеристик микрофильма и установление связи информационных характеристик с параметрами информационного слоя и сканера.
4. Разработка комплекса математических моделей компонентов сканера ОМ-системы, производящих преобразование сигнала с микрофильма, включающего модели: пространственного модулятора оптического потока на основании микрофильма и осветителя, объектива, оптоэлектронного преобразователя, усилителя и аналого-цифрового преобразователя; определение для каждого вида преобразований сигнала характера и величины искажений, влияющих на общие характеристики сканера.
5. Разработка метода проектирования сканеров CIM-систем на основании учета и оптимизации сквозных информационных характеристик в системе.
6. Проверка методов на экспериментальном программно-аппаратном комплексе.
Научная новизна диссертации заключается в следующем.
1. Разработана математическая модель формирования изображений на микрофильме, связывающая статистические характеристики микрокристаллов серебра с оптическими параметрами микрофильма.
2. Произведена оценка параметров шума пространственного сигнала, считываемого с микрофильма, показано, что параметры шума зависят от статических характеристик информационного слоя микрофильма.
3. Определен ряд зависимостей, связывающих информационные характеристики микрофильма, в частности его информационную емкость, с параметрами информационного слоя.
4. Разработан комплекс математических моделей компонентов сканера ОМ-системы, включающий модели: пространственного модулятора оптического потока на основании микрофильма и осветителя, объектива, оптоэлектронного преобразователя, усилителя и аналого-цифрового преобразователя; определение для каждого вида преобразований сигнала характера и величины искажений, влияющих на общие характеристики сканера. жений, влияющих на общие характеристики сканера.
5. Разработан подход к проектирования сканеров ОМ-систем на основании учета и оптимизации сквозных информационных характеристик в системе.
Практическая ценность работы заключается в том, что методы разработки сканеров с повышенными эксплуатационными характеристиками ориентированы на использование при проектировании как вновь разрабатываемых, так и модернизации существующих CIM-систем, что позволяет повысить их качество при сокращении сроков разработки.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается корректным применением аналитических моделей оптических систем и опто-электронного преобразователя, а также экспериментальными исследованиями характеристик элементов сканера на аппаратно-программном комплексе.
Положения, выносимые на защиту.
1. Математическая модель формирования изображений на микрофильме, связывающая статистические характеристики микрокристаллов серебра с оптическими параметрами микрофильма.
2. Модели, связывающие информационные характеристики микрофильма и параметры шума пространственного сигнала, считываемого с микрофильма, со статическими характеристиками информационного слоя микрофильма.
3. Комплекс математических моделей компонентов сканера С1М-систе-мы, описывающий искажения пространственного сигнала, влияющие на качество считывания информации.
4. Метод оптимального проектирования сканера, основанный на оценке сквозных характеристик информационных потерь при считывании информации.
Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы и методики реализованы автором в процессе выполнения нижеследующих НИОКР ФГУП РФ "НИИ Репрографии":
1) Договор № 711400202006 от 04.03.02. Этап 3. Создание и ввод в эксплуатацию в ФГУП "НИИ Репрографии" аналого-цифровой технологической системы микрофильмирования и воспроизведения в СФД, документации, содержащей полноцветные изображения.
2) Договор № 711400202006 от 04.03.02. Этап 4.1. Проведение комплексных работ по оценке качества и сохранности микрофильмов СФД.
3) Договор № 711400202028 от 20.03.03. Этап 5. Проведение комплекса работ по технологической подготовке и вводу в эксплуатацию межотраслевой специализированной лаборатории микрофильмирования СФД на основе передовых гибридных микрографических и компьютерных технологий.
Результаты внедрены в учебный процесс на кафедре "Робототехника и автоматизация производства" Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" при преподавании следующих дисциплин: «Системный анализ и принятие решений», «Основы информационных устройств роботов», «Основы технического зрения и цифровой обработки изображений».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.
1. 7-я научно-техническая конференция "Проблемы специального машиностроения". - Тула, Тульский государственный университет, 2003.
2. XXII Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула, Тульский государственный университет, 2004.
3. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета 2002, 2003 и 2004 гг.
По теме диссертации опубликовано 12 работ, включенных в список литературы, в том числе: 5 тезисов докладов на всероссийских конференциях, 7 статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 174 страницах машинописного текста и включающих 59 рисунков и 6 таблиц, двух приложений на трех страницах и списка использованной литературы из 148 наименований.
Во введении дана постановка задачи разработки сканеров CIM-систем как основного элемента современной системы страхового фонда, осуществляющего доступ к массивам микрофильмированной информации.
В первом разделе определена типовая структура сканера С1М-системы, на основании анализа его характеристик и методов их исследования поставлена задача по разработке методов оптимального проектирования сканеров CIM-систем.
Во втором разделе на основании сделанного допущения о пуассонов-ском характере распределения микрокристаллов серебра в информационном слое сформирована математическая модель образования изображения на микрофильме, получены выражения для параметров пространственного шума и информационных характеристик микрофильма.
Третий раздел посвящен математическому описанию технических средств сканера и формированию комплекса математических моделей потерь информации при считывании изображений с микрофильма, используемых при решении задачи оптимального проектирования сканеров СІМ-систем.
Четвертый раздел содержит экспериментальное подтверждение положений диссертации.
В заключении сделаны выводы по работе в целом.
Принципы анализа изображений при аналого-цифровом микрофильмировании
Принципы анализа изображений при аналого-цифровом микрофильмировании Основной операцией аналого-цифрового микрофильмирования является анализ изображений, хранимых на микрофильмах. Под анализом понимается машинное восприятие некоторого объекта, существующего вне ЭВМ [75]. При кодировании документов, хранящихся в аналоговой форме на микрофильмах, для их использования в системах с цифровым представлением информации (СІМ-системах), применяют сканеры, типовая схема которого приведена на рис. 1.4.
Микрофильм, подлежащий сканированию, помещается под считывающий узел, где освещается источником света О, создающим в предметной плоскости Ф{х,у) Ф(х ,у ) объектива световой поток Ф{х, у). Падающий свет проходит через микрофильм, в результате чего формируется световой поток Ф(х , у% являющийся следствием поглощения части исходного потока микрокристаллами серебра, формирующими изображение на микрофильме. Часть светового потока, прошедшего через микрофильм, попадает в оптическую систему, состоящую, как правило, из объектива, а при необходимости, из оптических и механических элементов, осуществляющих механическое сканирование (зеркал, призм, лентопротяжных, шаговых и иных механизмов).
Основное назначение оптической системы - подготовка видеоинформации к восприятию датчиком. Другое назначение - оптическое моделирование математических преобразований (например, преобразование одних функций в другие), исправление или видоизменение сигнала (пространственная фильтрация путем наложения масок определенной формы), другие виды обработки (выделение излучений с определенным спектральным диапазоном и т.п.). Объектив фокусирует световой поток, прошедший через микрофильм и модулированный его функцией поглощения, на фоточувствительный элемент фотоэлектронного преобразователя., располагаемый в плоскости изображения объектива, где формируется масштабированная по пространственным координатам х и у функция поглощения В(х ,у ).
Далее распределенная функция поглощения В(х , ) преобразуется в электрический сигнал с помощью фотоэлектронного преобразователя, в качестве которого используются линейные или матричные фоточувствительные приборы с зарядовой связью. Фотоэлектронный преобразователь вырабатывает напряжение U(x ,y ,t), пропорциональное в каждой точке функции поглощения В(х\у ). В преобразователях используются такие физические явления, как внешний и внутренний фотоэффекты, фотохимические процессы и др. Одновременно фотоэлектронный преобразователь является и дискретизирующим элементом, преобразующим пространственное распределение яркости в последовательный электрический сигнал U(t), который является последовательной моделью распределения микрокристаллов серебра по плоскости кадра микрофильма. Аналоговый сигнал преобразуется в последовательность цифровых кодов D{t), вводимых через контроллер ввода данных в ЭВМ. Последовательность чисел, упорядоченная в матрицу [Du ], каждый элемент которой Х является результатом измерения и представления в виде цифрового кода функции поглощения в определенной точке кадра микрофильма называется растровой или факсимильной цифровой моделью изображения (ФЦМИ), представляющую собой матрицу пикселей. Задача сканера CIM-системы заключается в создании ФЦМИ, максимально точно представляющей исходное изображение.
В ЭВМ данные могут храниться как в виде ФЦМИ [Dy ], так и в виде других упорядоченных совокупностей кодов. Здесь же данные могут подвергаться различного рода обработке, например фильтрации, классификации, преобразованию моделей одного вида в модели другого вида и т.п. Конечным продуктом обработки данных является модель изображения [D ,.], предназначенная непосредственно для управления устройством отображения или передачи по каналам связи внешнему потребителю.
Функция поглощения единственного микрокристалла серебра (одномерный случай)
Микрофильм как носитель изображения документов Свойства СФД как информационной системы, в основном определяются свойствами носителя информации, используемого в нем. Основным носителем информации в СФД является микрофильм, на котором информация хранится в виде изображений текстов, чертежей и другой документации. Типы микрофильма, геометрические размеры и расположение кадров, а также оптические параметры изображений, хранящихся в кадрах жестко стандартизированы [40-43], что позволяет проектировать информационные системы с высокой степенью автоматизации процессов поиска и доступа к нужной информации. Кроме того, плотность нанесения информации на микрофильм достаточно высока и достигает 10 бит/мм при сохранении высокой степени избыточности, свойственной человекочитаемым документам, что повышает надежность хранения данных.
Для достижения высокой плотности записи информации на микрофильм в микрографии применяют высокоразрешающие галогенсеребряные пленки [112, 113]. Используются пленки двух типов: негативные и позитивные. Нега тивные пленки могут быть использованы как для получения микроформ 1-го поколения, так и для их размножения контактным копированием. Позитивные пленки имеют чувствительность, которая много ниже, чем у негативных пленок, так как в позитивных пленках содержится намного меньше серебра. Их применяют только для размножения микроформ, при этом получают изображение, негативное по отношению к размножаемой микроформе, но позитивное по отношению к оригиналу.
Негативные пленки могут применяться в классическом фотопроцессе с «мокрой» химико-фотографической обработкой (такие пленки мы будем называть традиционными) или в процессе с термическим проявлением (термопрояв-ляемые пленки) [112]. Это различие имеет принципиальное значение, поскольку определяется строением пленки.
Традиционные галогенсеребряные пленки наиболее широко применяются в микрографии [53, 112, 113]. Эти пленки, как и вообще все галогенсеребряные пленки для черно-белой фотографии, имеют типовое строение. Они состоят из основы - прозрачной полимерной пленки, на которую наносят светочувствительный и вспомогательные слои (см. рис. 1.8) [49, 112].
Все слои наносятся на основу из триацетатцеллюлозы или полиэфира. Основа должна иметь целый комплекс свойств, например, сохранять механическую прочность не только в процессе обработки негатива, но и в процессе эксплуатации и длительного хранения. Износ основы в виде царапин, даже очень небольших размеров, приводит к потеря информации и делает изображение совершенно непригодным для чтения. Кроме того, основа должна быть гибкой, не усыхать и не коробиться, т. е. быть, как говорят, безусадочной. Основа должна обязательно сохранять прозрачность в течение всего гарантированного срока хранения микрофильма, иначе изображение с негатива не будет читаться на просвет, быть химически инертной и отвечать многим другим требованиям.
Светочувствительный эмульсионный слой определяет как фотографические характеристики пленки в процессе обычного и цифро-аналогового микрофильмирования (светочувствительность), так и свойства аналого-цифрового микрофильмирования: (минимальное и максимальное значения функции поглощения света, разрешающую способность, контрастность и т.д.). Часто эмульсионные слои наносят на подложку в виде двух полуслоев. Нижний полуслой, называемый грунтовым, имеет меньшее по сравнению с верхним содержание микрокристаллов галогенида серебра и вследствие этого обладает относительно низкой функцией поглощения. Возможно также использование негативной пленки с одним эмульсионным слоем.
Строение негативной галогенсеребряной пленки. (1 - защитный слой; 2 - верхний слой эмульсии; 3 - нижний слой эмульсии; 4 - подслой; 5 - основа; 6 - противоореольныи слой) Следует заметить, что эмульсионный слой или фотографическая эмульсия, представляет собой не эмульсию, а механическую суспензию микрокристаллов галогенида серебра в защитном коллоиде: фотографическом желатине или го смеси с синтетическими полимерами.
Другие элементы пленки (основа и вспомогательные слои) выполняют важные вспомогательные механические функции. К вспомогательным относятся адгезионный, защитный и противоореольныи слои. Функции этих покрытий ясны из их названия: адгезионный слой обеспечивает сцепление светочувствительного слоя с подложкой;
Передаточная функция оптоэлектронного преобразователя
Утверждение 2.3. Если вероятность попадания микрокристаллов серебра на единицу площади S не зависит только от ее размеров, микрокристаллы распределяются по плоскости хОу независимо друг от друга, вероятность попадания на бесконечно малую элементарную площадь s двух и более микрокристаллов на порядок меньше, чем вероятность попадания одного микрокристалла, и для размеров микрокристаллов выполняется условие (2.34), то вероятность попадания ровно т микрокристаллов серебра на площадь размером S, равна Pm= -exp(-AS). (2.36) т\ Доказательство утверждения для случая распределения точек по одной координате (например, х) приведено в [128]. Покажем, что и в случае плоскости хОу выражение (2.36) справедливо.
Рассмотрим окружность радиусом г. Среднее количество микрокристал-лов, выпадающих на указанную площадь равно Алг . Будем считать, что площадь лг2 настолько мала, что выполняется условие 3. Тогда очевидно, что среднее количество микрокристаллов, приходящихся на указанную область равно вероятности попадания на нее хотя бы одного микрокристалла.
Разделим область S на п бесконечно малых элементарных площадей, т.е. s = S/n. Вероятность того, что площадь окажется занятой хотя бы одним микрокристаллом с точностью до бесконечно малых высшего порядка (это связано с тем, что площадь s оказывается вписанной в круг радиусом г, а значит S/n лг2) равна AS/n.
Тогда разделение площади S на п элементарных площадей s, которое производится случайным образом можно рассматривать как п независимых опытов, в каждом из которых микрокристалл серебра может быть помещен, а может быть и не помещен на элементарную площадь s. Вероятность того, что в результате случайного деления площади 5" на п элементарных площадей s, площадь s окажется занятой микрокристаллом серебра равна ASM, а не занятой - 1 -ASM. По теореме о повторении опытов [19] вероятности того, что в результате п опытов т элементарных площадей s окажутся занятыми микрокристаллами се ребра определяются биномиальным законом распределения и равны \_AS}" Ґ 2СЛт/ (2.37) Р =Ст 1 т/п п AS V и ) V п J где С - га-й биномиальный коэффициент при возведении бинома в п-ю степень. Искомое распределение определяется, если г — О, т.е. т\-ИТ с: (2.38) AS Y п ) п ) m= ПтРт/п=\іт т Преобразование выражения, стоящего под знаком предела, дает (ASYf. AS " rl_AS)" (ASY lim п\ 1 С п ) lim— п ) \п J V V "- (и -m)\ri v п .
Первая и вторая дроби произведения правой части равенства при п—»оо обращаются в единицу. Третий сомножитель стремится к ехр (-AS), а четвертый не зависит от п. Таким образом, справедливость (2.36), а вместе с тем и утверждения 2.3, доказаны.
Определим, что означает наличие на микрофильме участка с интенсивностью расположения микрокристаллов серебра, равной А.
Утверждение 2.4. Если на некотором участке микрофильма, имеющем площадь S, интенсивность расположения микрокристаллов серебра равна Я ед./мм , то такой участок микрофильма обеспечивает функцию поглощения, равную К(А) = 4АЬахау (2.39) для случая, когда размеры микрокристаллов серебра постоянны, и К(А) = Ab(axmax + ахтіп )(аутгх + aymin) (2.40) для случая, когда размеры микрокристаллов распределены по каждой из координат равновероятно в интервалах ах min ах ах тах и ау mjn ау ау тах. Доказательство. Математическое ожидание количества микрокристаллов серебра, приходящихся на площадь S, при пуассоновском характере распределения микрокристаллов (2.36) равно AS [128], а среднее количество микрокристаллов, приходящихся на единицу площади, равно X.
Согласно утверждению 2.2, коэффициент поглощения каждого из микрокристаллов, случайным образом попавшим в исследуемую область S, при постоянных размерах микрокристаллов определяется зависимостью (2.32).
Предположим, что для поглощения светового потока применим принцип суперпозиции, и суммарная функция поглощения равна сумме функций поглощения отдельных микрокристаллов. Тогда, в соответствии со свойством линейности преобразования Фурье суммарный коэффициент поглощения будет равен сумме коэффициентов поглощения микрокристаллов т.е. і где Кі{сох,соу,схПсуі) - коэффициент поглощения z -ro микрокристалла, попавшего в исследуемую область; cxj,cyj - смещение z -ro микрокристалла, попавшего в исследуемую область, по осям х и у, соответственно, относительно центра области (начала координат).
С использованием (2.32), будем иметь Ks{(Dx,coy) = J \4baxay - - y- exp[-j(coxcxl+coyc )]\. (2.41) і [ COxaX COyay На нулевой пространственной частоте обеспечивается следующий коэффициент поглощения: К0=ПтК сох,соу). (2.42) й)„-»0,
Определяя предел (2.42) для зависимости (2.41), и с учетом того, что среднее количество микрокристаллов серебра, попавших на единицу площади, равно Я, получим (2.39), что доказывает первую часть утверждения. Коэффициент поглощения каждого из микрокристаллов, попавшим в исследуемую область S случайным образом, при постоянных размерах микрокристаллов определяется зависимостью (2.33).
Допущение 2.5. Для функции поглощения светового потока применим принцип суперпозиции, и суммарная функция поглощения равна сумме функций поглощения отдельных микрокристаллов.
Исследование информационной емкости микрофильма
Определим причины, влияющие на значения вероятностей появления ненулевых значений вероятностей в гистограммах распределения уровней поглощения "штриха" и "фона", попадающих в перекрывающиеся области. Указанные причины сводятся к следующим.
1) В том случае, если распределение количества микрокристаллов серебра, попадающих в проекцию апертуры сканирующего устройства ОМ-системы, является пуассоновским, при любом значении средней интенсивности количества микрокристаллов серебра Я„ формирующей значения функции поглощения К, попадающие в интервал К(.\ К Kh существует ненулевая вероятность того, что в проекцию апертуры сканера попадет количество микрокристаллов, соответствующее функции поглощения, лежащей в интервале Kj.\ К Kj, і Ф], О Uj L.
2) При сканировании реальных изображений существует ненулевая вероятность того, что проекция апертуры сканирующего устройства попадет на границу "штриха" и "фона". 3) Наличие изношенности информационного слоя микрофильма, приводящее к появлению бинарного шума, т.е. участков кадра, с функцией поглощения, соответствующей "фону" в местах расположения "штрихов" и "штриху" в местах расположения "фона".
Первая причина является неустранимой, относится к свойствам микрофильма, как носителя информации, и является следствием наличия шумов в исходном сигнале, корреляционная функция которых определена зависимостями (2.56), (2.57), а спектральная плотность мощности - зависимостями (2.64), (2.65).
Вторая причина создает т.н. "лестничный эффект" при переводе изображения из аналоговой в цифровую и из цифровой в аналоговую формы. Влияние лестничного эффекта может быть уменьшено, если использовать в С1М-системе сканер с более высоким разрешением. Однако в этом случае возрастет уровень шума, обусловленного конечными размерами микрокристаллов серебра и влиянием включения/исключения одного единственного микрокристалла на величину приращения функции поглощения.
Наличие изношенности микрофильма (третья причина) может быть учтено следующим образом. Вследствие того, что микрофильм включает в себя ряд слоев, в процессе эксплуатации изнашиваются внешние слои, а именно, информационный слой и подложка. Износ подложки приводит к рассеянию попадающего на подложку света, в результате чего значение текущей функции поглощения, формируемой микрокристаллами серебра, увеличивается на величину Kd- Вероятность подобного события, необходимая для построения гистограммы, может быть оценена, и равна
Параметры nh Lj min, Lt max, d-, min, dt max могут быть определены экспериментально для конкретных условий эксплуатации носителей информации. Геометрические размеры кадра микрофильма определяются соответствующими ГОСТами.
Появление царапин в изношенной подложке приводит к переносу гистограммы функций поглощения параллельно самой себе (см. выше) в сторону увеличения на величину функции поглощения, создаваемой царапиной и оптической системой сканера с микрофильма. При этом значения исходной гистограммы уменьшаются в (1 - pd) раз, а значения перенесенного участка должны составлять pj от исходных. В случае, если участок гистограммы, на который переносятся новые значения вероятностей функции распределения, содержит ненулевые значения, то значения перенесенных вероятностей суммируются со значениями имеющихся (см. рис. 2.9).
При износе информационного слоя возможны ситуации двух типов: появление царапин на информационных слоях с пониженными интенсив-ностями расположения микрокристаллов; появление царапин на информационных слоях с повышенными интен-сивностями расположения микрокристаллов.
Первый тип износа информационного слоя мало отличается от износа подложки, и описывается зависимостями (2.98), (2.99), (2.100).
Второй тип износа сводится к уменьшению количества микрокристаллов серебра в информационном слое и связанным с этим процессом уменьшением функции поглощения. В этом случае вероятности появления царапин описывается зависимостями (2.98), (2.99), (2.100).
