Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИЗМЕРЕНИЯ - МИКРОФИЛЬМА
- И УСЛОВИЙ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ В СИСТЕМЕ СТАХФОНДА 14
Введение 14
Химические аспекты формирования изображения на микрофильме 24
Физические аспекты формирования изображения на микрофильме 31
Формирование микрофильма путем оптического фотографирования оригиналов 31
Требования к микрофильмируемым оригиналам
при их оптическом фотографировании 34
1.2.3. Формирование микрофильма на выходе СОМ-
устройства 41
1.3. Основные аспекты эксплуатационной надежности
микрофильма в системе страхфонда 44
Влияние механических нагрузок 48
Абразивный износ поверхности микрофильма 48
Влияние светового излучения 49
Влияние климатических условий 50
Влияние агрессивных сред 52
Влияние ионизирующих излучений 52
1.4. Показатели качества и аппаратура для контроля
микрофильма 53
Оптическая плотность 53
Разрешающая способность 56
Резкость 59
Контраст 60
1.5. Общая оценка информационно-измерительной системы
определения показателей качества микрофильма 61
1.6. Выводы 62
2. ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬЬІАЯ СИСТЕМА
НА ОСНОВЕ СІМ-УСТРОЙСТВА 64
Введение 64
Структура информационно-измерительной системы
на основе СГМ-устройства 64
2.2. Пространственно-частотные модели измеряемых сигналов
и их свойства 69
2.3. Характеристики оптико-механической части СІМ-
устройства 70
2.3.1. Характеристики осветителя при создании светового
потока в предметной плоскости объектива 70
Поглощение света в информационном слое 73
Изображение границ 74
Пространственные частотные искажения сигнала,
вносимые объективом 82
2.3.5. Пространственно-частотные искажения сигнала,
вносимые механической разверткой 83
2.4. Линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью 86
Структура ЛФПЗС 86
Математическая модель оптической фильтрации
светового сигнала фоточувствительной ячейкой 91
Передаточная функция оптоэлектронного преобразователя как дискретизатора оптического сигнала 91
Математическая модель накопления заряда в ячейке ЛФПЗС 93
Процесс переноса зарядов 96
2.5. Нормализация и оцифровка видеосигнала 97
Усиление и масштабирование сигнала 97
Квантование видеосигнала по уровню 100
2.6. Сквозная пространственно-частотная характеристика CIM-
устройства 101
2.7. Выводы 104
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА МИКРОФИЛЬМЕ
И МЕТОДЫ ИХ ИДЕНТИФИКАЦИИ 106
Введение 106
Формирование факсимильной цифровой модели 107 изображения (ФЦМИ)
Характеристики изображений 111
3.2.1. Пространственный спектр фрагмента изображения
при его сканировании в произвольном направлении 111
Характеристика пространственных спектров машиностроительного чертежа и электрических схем 115
Характеристика пространственного спектра топографической карты 116
3.3. Изображение реального фрагмента 117
Граница изображения фрагмента 117
Пространственный спектр границы фрагмента 121
Ошибка в определении амплитудной характеристики 122
3.4. Приведение ФЦМИ к изображению на микрофильме 125
Погрешности формирования изображения 125
Погрешности, формируемые в результате
формирования ФЦМИ С1М-устройством 126
3.4.3. Приведение ФЦМИ на выходе CIM-устройства к
ФЦМИ на микрофильме 127
3.4.4. Определение кривой изменения оптической плотности
вдоль произвольной оси ФЦМИ 129
3.5. Выводы 134
4. ПАРАМЕТРЫ МИКРОФИЛЬМА И МЕТОДЫ ИХ ОЦЕНКИ 136
Введение 136
Оценка состояния микрофильма по гистограмме оптической плотности ФЦМИ 136
Оптическая плотность изображения линий 139
Оптическая плотность изображения фона 142
Оптическая плотность изображения вуали 142 ш 4.1.4. Выкрашивание информационного слоя 144
4.1.5. Общая методика оценки параметров микрофильма
с использованием гистограммы ФЦМИ 144
4.1.6. Экспериментальные исследования микрофильма
гистограммным методом 147
4.2. Оценка наличия дефектов микрофильма, связанных с
износом информационного и противоореольного слоев 152
Оптическое выявление дефектов 152
Сопоставление ФЦМИ по гистограммному методу 157
Сопоставление ФЦМИ по пространственно-частотному методу 158
Наличие диффузного рассеяния 160
Оценка резкости изображения 162
4.5. Выводы 170
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 172
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 174
ПРИЛОЖЕНИЕ 187
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важных достоинств микрофильма, как носителя информации, создаваемой человеком, является его свойство хранения уменьшенных копий документов в течение длительного (до 300 лет) периода времени. По показателю времени хранения микрофильм превосходит бумажные носители и значительно превосходит машинные носители (магнитные и оптические). При этом по удобству доступа к хранимой информации он значи-
,, тельно опережает все известные средства хранения документов, т.к. для бумажных копий документов не существует средств механизированного и автоматизированного поиска и доставки потребителю, а машинные носители содержат информацию в закодированном виде, и поэтому необходимо наличие соответствующих средств визуализации хранимых данных.
Особую ценность указанные качества микрофильма приобретают при возникновении форс-мажорных обстоятельств: в военных конфликтах, в чрезвычайных ситуациях, вызванных пожарами, техногенными авариями, природными катастрофами, террористическими актами, т.е. в случаях, когда срочно требуется релевантная информация, а возможности по ее доставке и воспроизведению в виде, удобном для восприятия человеком, существенно ограничены. Ряд решений Правительства Российской Федерации предусматривает создание и поддержание в актуальном состоянии страхового фонда документации (СФД), представляющего собой ряд хранилищ микрофильмированных страховых копий важнейших документов, необходимых для управления государством, вооруженными силами, промышленностью. Эти специализированные хранилища обеспечивают надежную защиту микрофильмированной информации от уничтожения, утраты и повреждения в условиях военного времени и чрезвычайных ситуаций.
Максимальные сроки хранения микрофильмов достижимы только при соблюдении условий хранения и периодическом измерении их параметров с
;, целью контроля качества. Подобный контроль в настоящее время осуществля-
ется не в полной мере. Это связано, с одной стороны, с устаревшими техническим средствами контроля, а, с другой - со значительным количеством ручных операций и субъективностью оценок операторов, вызванной недостаточной методологической базой и морально устаревшей техникой контроля.
В настоящее время в микрофильмирующие системы повсеместно вводят-
ся CIM-устройства (Computer Input Microfilm), обеспечивающие считывание информации с микрофильма и перевод в цифровую форму. Подобные устройства можно также использовать как средства измерения оптической плотности микрофильма и ввода измерительной информации. Все это делает задачу разработки информационно-измерительных систем на базе CIM-устройств особенно актуальной и, вместе с тем, создает предпосылки для научного и технического решения подобной задачи.
Объектом исследования диссертационной работы является информационно-измерительная система на основе СІМ-устройства, осуществляющего измерение оптических параметров микрофильма, перевод результатов измерения в цифровую форму и ввод измерительной информации в ЭВМ.
Предметом исследования диссертационной работы являются методы обработки результатов измерения оптических параметров с учетом инструментальных погрешностей самого СІМ-устройства.
Общей теорией репрографии и смежными вопросами занимались отечественные ученые Р.Н. Иванов, В.А. Зернов, Г.П. Катыс, Н.П. Максимов, Ф.В. Сидоров, А.А. Слуцкин А.К. Талалаев, Л.П. Ярославский, и зарубежные ученые Р. Гонсалес, Т. Джеймс, А. Папулис, У. Прэтт. В известных работах по предмету исследования проведен анализ процесса создания изображения на микрофильме и его структуры, предложен ряд методов доступа к изображениям, а также методов цифровой обработки данных, поступающих от сканирующих средств измерения оптических параметров.
Ниже предлагается общий подход к получению и обработке измерительной информации, который опирается на аналитические методы математичес-^ кого моделирования CIM-устройств и процессов в них, для чего используются
теория оптоэлектронных преобразователей. Методики обработки измерительной информации были разработаны на основе методов обработки пространственных сигналов в сигнальной области, а также на основе пространственно-спектральной теории сигналов.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов получения и анализа измерительной информации при контроле качества микрофильма в системе страхфонда документации.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи.
Определение физических и химических аспектов формирования изображений на микрофильме, выявление связи качественных параметров микрофильмируемых оригиналов, конструкции микрофильма, условий его экспонирования и химико-фотографической обработки с оптическими характеристиками изображений.
На основании анализа факторов, оказывающих влияние на развитие дефектов микрофильма в процессе хранения, и существующих методов измерения параметров подобных дефектов формулирование предложений по созданию информационно-измерительной системы для комплексной объективной оценки качества микрофильма и направлениях исследования методов обработки измерительной информации.
Разработка математической модели процесса измерения оптической плотности микрофильма с помощью CIM-устройства, определение на основании моделирования его узлов и блоков статической и пространственно-частотной инструментальной погрешности, вносимой СІМ-устройством в результат практического измерения оптической плотности при сканировании микрофильма.
Систематизация и оценка пространственно-частотных характеристик элементов CIM-устройства на базе линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью при прохождении сигнала по каналам х и у, разработка мето-
дики для определения интегральной пространственно-частотной характеристики ОМ-устройства по произвольному направлению.
Анализ процедуры формирования изображений, подлежащих микрофильмированию в системе страхфонда, выявление общих для произвольных изображений факторов, которые могут быть использованы при оценке качества микрофильмированной информации, в частности амплитудной и фазовой пространственно-частотных характеристик примитивов, из которых формируется изображение в произвольном направлении.
Разработка методики построения граничной кривой изображения и фона, линейной аппроксимации граничной функции нарастания сигнала и определение амплитудной и фазовой пространственно-частотных характеристик границы изображения примитива и фона.
Разработка методики приведения граничной кривой нарастания сигнала к оптической плотности микрофильма с учетом пространственно-частотных характеристик CIM-устройства как пространственного фильтра, а также ошибок, вносимых на этапе дискретизации.
Формулировка требования инвариантности к местоположению объектов изображения и их ориентации на плоскости при выборе характеристик, используемых для оценки состояния микрофильма, выбор для обработки измерительной информации методов гистограммного и пространственно-частотного анализа изображений, как удовлетворяющих требованиям инвариантности.
Разработка практических методик измерения следующих параметров микрофильма: оптических плотностей изображения и фона, наличие выкрошенных участков, вуали изношенной поверхности, очагов диффузного рассеяния.
10. Разработка системы методик для оценки резкости изображения.
Научная новизна диссертации заключается в следующем.
1. На основании аналитического моделирования узлов и блоков получена интегральная пространственно-частотная характеристика СІМ-устройства на базе линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью с учетом различий прохождения пространственного сигнала по каналам хиу.
Разработан метод формирования кривой нарастания оптической плотности на границе фона и изображения примитива вдоль прямой, ортогональной линии границы с учетом пространственно-частотных характеристик CIM-устройства.
Разработан метод оценки резкости изображений с использованием амплитудной и фазовой пространственно-частотных характеристик кривой нарастания оптической плотности.
Сформулированы требования инвариантности характеристик изображения объектов, используемых для оценки состояния микрофильма к ориентации объектов на плоскости; показано, что гистограммный и пространственно-частотный методы анализа изображений удовлетворяют требованиям инвариантности.
Разработаны методики измерения следующих параметров микрофильма: оптических плотностей изображения и фона, наличие выкрошенных участков, вуали изношенной поверхности, очагов диффузного рассеяния, резкости на основании анализа факсимильной цифровой модели изображения, формируемой С1М-устройством.
Практическая ценность работы заключается в том, что методы обработки измерительной информации, полученной с помощью С1М-устройства, ориентированы на применение при массовом контроле качества микрофильмов в системе страхфонда документации, что позволяет повысить качество и сроки хранения микрофильмов.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается корректным применением аналитических моделей оптических систем и опто-электронного преобразователя, а также экспериментальными исследованиями информационно-измерительной системы на основе С1М-устройства.
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Связь качественных параметров микрофильмируемых оригиналов, конструкции микрофильма, условий его экспонирования и химико-фотографической обработки с оптическими характеристиками изображений.
Математические модели узлов и блоков CIM-устройства, а также интегральная пространственно-частотная характеристика устройства как пространственного фильтра с учетом его анизотропии по каналам х и у.
Методики построения граничной кривой изображения и фона, линейной аппроксимации граничной функции нарастания сигнала и определения амплитудной и фазовой пространственно-частотных характеристик границы изображения примитива и фона.
Методика приведения граничной кривой нарастания сигнала к оптической плотности микрофильма с учетом пространственно-частотных характеристик СІМ-устройства как пространственного фильтра, а также ошибок, вносимых на этапе дискретизации.
Использование требования инвариантности к местоположению объектов изображения и их ориентации на плоскости для гистограммного и пространственно-частотного анализа качественных характеристик микрофильма, таких, как оптических плотностей изображения и фона, наличие выкрошенных участков, вуали изношенной поверхности, очагов диффузного рассеяния, резкости.
Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы и методики реализованы автором в процессе выполнения нижеследующих НИОКР ФГУП РФ "НИИ Репрографии" (г. Тула):
по теме «Разработка сквозных математических (аналитических) моделей преобразования информационных характеристик при обработке документации в электронно-микрографических (аналого-цифровых) системах», 2005 г.;
по теме «Разработка технологии сквозной оценки качества обработки документации в электронно-микрографических системах СФД с использованием частотных методов», 2006 г.
Результаты внедрены в учебный процесс на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» при преподавании следующих дисциплин: «Спецглавы математики»,
«Основы информационных устройств роботов», «Основы технического зрения и цифровой обработки изображений», «Цифровая обработка сигналов», «Теория сигналов».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.
Интеллектуальные и информационные системы. - Тула: ТулГУ, 2005.
Проблемы управления электротехническими объектами. - Тула: ТулГУ, 2005.
XXIII Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула: ТулГУ, 2005.
ММТТ-18. XVIII Международная научная конференция. - Казань: Казанский гос. техн. ун-т, 2005.
XXIV Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула: ТулГУ, 2006.
Проблемы специального машиностроения. - Тула: ТулГУ, 2005.
7. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского
состава ТулГУ - 2004, 2005, 2006 гг.
По теме диссертации опубликовано 14 работ, включенных в список литературы, в том числе: 4 тезисов докладов на всероссийских конференциях, 10 статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 166 страницах машинописного текста и включающих 71 рисунок и 5 таблиц, двух приложений на трех страницах и списка использованной литературы из 156 наименований.
Во введении дана постановка задачи разработки информационно-измерительной системы на основе ОМ-устройства взамен существующих комплектов технических средств контроля качества микрофильма, характеризующихся низкой точностью измерений и субъективностью оценок параметров хранения.
В первом разделе проведен анализ свойств микрофильма как объекта измерения, а также существующих технических средств контроля качества изображений, поставлена задача исследования методов контроля качества на осно-
ве информации, получаемой при сканировании микрофильма с помощью CIM-устройства.
Во втором разделе проведено исследование ОМ-устройства как пространственного фильтра изображений, хранимых на микрофильме, определен состав каналов хи у прохождения пространственного сигнала, считанного с микрофильма,, показана анизотропия пространственно-частотных характеристик С1М-устройств с линейным фоточувствительным прибором с зарядовой связью и получены зависимости для определения пространственно-частотных характеристик по произвольному направлению.
Третий раздел посвящен анализу свойств изображения, сформированного на оригинальном документе и скопированного на микрофильм, определены амплитудная и фазовая пространственно-частотные характеристики идеального и реального изображений, приводятся зависимости, позволяющие привести факсимильную цифровую модель изображения к распределению оптической плотности по площади микрофильма.
Четвертый раздел содержит практические методики анализа изображений и экспериментальное подтверждение теоретических положений диссертации.
В заключении сделаны выводы по работе в целом.
