Введение к работе
Актуальность темы исследования
В связи с динамичным развитием высокотехнологичных производств все
большее применение получают системы машинного зрения. Они дают
современным киберфизическим системам возможность визуализации,
распознавания и контроля объектов. Вкупе с современными алгоритмами обработки и сегментации изображений это позволяет выводить подобные системы на качественно новый уровень самостоятельности принятия решения. Подобное развитие систем машинного зрения ведет к значительному удешевлению процессов производства. Также снижается или полностью исключается необходимость выполнения оператором рутинных действий.
Важной задачей является определение качества системы машинного зрения, которая с научно-технической точки зрения является, по сути, телевизионной оптико-электронной системой (ТОЭС). Разрешающая способность телевизионной оптико-электронной системы является одним из основополагающих ее свойств, определяющим конечное качество изображения, полученного с его помощью.
Разрешение камеры обусловлено рядом факторов. Они включают, но не ограничиваются характеристиками объектива камеры, количеством активных фотоэлементов в оптическом устройстве формирования изображения и электрическими цепями камеры, которые могут реализовывать функции сжатия изображения и гамма-коррекции.
Для идеальной оптической системы разрешающая способность определяется ее дифракционным пределом. Реальные системы обладают аберрациями, которые приводят к преобразованию осевых точек в кружки рассеяния. Распределение энергии в кружках рассеяния может различаться для систем, обладающих одинаковой разрешающей способностью. Таким образом, разрешающая способность, представляемая одним числом, не всегда дает исчерпывающее представление о качестве изображения, формируемого системой.
Более полное представление о качестве изображения оптико-электронной системы можно получить с помощью функции передачи модуляции (ФПМ) — функция, описывающая пространственно-частотную характеристику переноса системы формирования изображения из области предметов в область изображения, c использованием значений контраста серий синусоидальных волн с различной пространственной частотой.
Преимуществами использования ФПМ, как основной характеристики для определения разрешающей способности, являются:
– способность дать прямую и количественную характеристику качества изображения,
– объективность и универсальность измерения (минимальное влияние человеческого фактора),
– возможность измерения качества комбинированных систем (различные компоненты системы, такие как глаз, объектив, приемник излучения, можно привести к одной характеристике).
Несмотря на наличие ряда методов, позволяющих с определенной долей точности измерить ФПМ ТОЭС, представляется актуальной разработка методики, позволяющей проводить прямое и одновременное измерение значений ФПМ по полю кадра на необходимых пространственных частотах с возможностью их оперативного внесения в тест-объект, обладающий небольшими размерами.
Указанные факторы подтверждают актуальность и важность темы диссертации.
Степень разработанности темы исследования
Проблема оценки качества оптических систем поднималась в работах М. Я. Шульмана, В. К. Кирилловского, П. С. Варгина. Исследовались методы определения ФПМ оптических систем по различным тест-объектам, приводились описания схем установок, необходимых для проведения измерений. Также известны труды Glenn D. Boreman в области определения ФПМ оптико-электронных систем, путем модернизации методов, предназначенных для определения ФПМ оптических систем.
Однако, на данный момент не предложено методов определения ФПМ по кадру системы, предназначенных для телевизионных оптико-электронных систем на базе матричного приемника оптического излучения при отсутствии данных о пространственно-частотном составе тест-объекта на входе системы.
Объектом диссертационного исследования является теория оценки качества телевизионных оптико-электронных систем на базе матричного приемника оптического излучения.
Предмет диссертационного исследования — методы определения ФПМ телевизионных оптико-электронных систем на базе матричного приемника оптического излучения.
Целью данной работы является разработка методики определения функции передачи модуляции телевизионных оптико-электронных систем с применением матричного приемника оптического излучения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести сравнительный анализ существующих методов определения функции передачи модуляции оптических и оптико-электронных систем.
-
На основе проведенного анализа разработать метод и методику определения функции передачи модуляции телевизионной оптико-электронной системы на базе матричного приемника оптического излучения.
-
Провести математическое обоснование предложенного метода и методики.
-
Выполнить компьютерное моделирование предложенного метода и методики.
-
На основе разработанной модели спроектировать и реализовать макет установки для определения функции передачи модуляции оптико-электронной системы, и провести эксперимент по определению ФПМ.
Научная новизна работы:
1. Предложена новая методика прямого и одновременного измерения
значений ФПМ телевизионной оптико-электронной системы на основе матричного приемника оптического излучения с использованием тест-объекта, в котором
функция распределения освещенности по строке представляет собой сумму
вложенных синусоид разной частоты, определенных на конечном
пространственном интервале, при этом данные о пространственно-частотном составе тест-объекта на входе системы не требуются.
-
Разработана математическая модель тест-объекта на основе суммы вложенных синусоид конечной длины, позволяющая определить зависимость координаты максимального значения Фурье-образа отдельной синусоиды от ее пространственной частоты, а также от постоянной составляющей тест-объекта и пространственно-частотного положения остальных синусоидальных компонентов тест-объекта.
-
Решена задача повышения точности измерения ФПМ телевизионной оптико-электронной системы на основе матричного приемника оптического излучения по штриховой мире за счет увеличения количества измеряемых значений путем добавления в миру синусоидальных низкочастотных составляющих, что приводит к появлению в частотном спектре миры дополнительных пиков, содержащих информацию об ФПМ.
Практическая значимость результатов работы
Результаты, полученные в настоящей работе, имеют практическую значимость, поскольку позволяют определить ФПМ телевизионных оптико-электронных систем на базе матричного приемника оптического излучения по полю кадра с возможностью внесения необходимых пространственных частот в тест-объект при отсутствии сведений о тест-объекте на входе системы.
Результаты диссертационной работы использовались в Университете ИТМО при выполнении научных проектов 340740, 215540, 360995 и при проведении работ по тестированию радиационно-стойких систем технического зрения предприятия АО «Диаконт». Материалы диссертационной работы также использовались в курсе «Оптико-электронные системы аналитического приборостроения» в учебном процессе кафедры Систем и технологий техногенной безопасности Университета ИТМО.
Методология и методы исследования
Исследование проводилось с использованием теории геометрической и физической оптики, теории оптико-электронного приборостроения, современных методов и подходов математического и частотного анализа; теории и методов Фурье-анализа данных, современных алгоритмов обработки и сегментации сигналов и изображений. Экспериментальные исследования проведены при помощи компьютерного моделирования с использованием математического программного пакета Mathworks MATLAB и физического моделирования с использованием разработанного на кафедре систем и технологий техногенной безопасности макета.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Разработанная методика определения ФПМ телевизионных оптико-электронных систем на базе матричного приемника оптического излучения по тест-объекту, основанному на функции вложенных синусоид разной частоты и конечной длины, позволяет проводить одновременное и прямое измерение значений ФПМ на определенных пространственных частотах. Важной особенностью метода является возможность измерения ФПМ в случае отсутствия данных о пространственно-частотном составе тест-объекта на входе системы.
-
Повышена точность определения ФПМ путем вычисления смещения координаты максимального значения Фурье-образа отдельной синусоиды из состава тест-объекта в зависимости от ее пространственной частоты и воздействия интерференционного характера от постоянной составляющей и Фурье-образов остальных синусоидальных компонент тест-объекта с использованием предложенной математической модели.
-
Предложенная методика определения ФПМ телевизионной оптико-электронной системы на основе матричного приемника оптического излучения может быть реализована путем модернизации известного метода определения ФПМ по штриховой мире с использованием разработанной оптико-электронной экспериментальной установки, состоящей из светодиодного осветителя, одноканального и многоканального световых интеграторов, распределение
освещенности в которой задается маской с профилем, соответствующим сумме синусоид разной частоты.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 13 конференциях, в том числе 4 международных: SPIE Optics+Optoelectronics 2017, SPIE Optical Systems Design 2018, PIERS 2017, XII Международная конференция «Прикладная оптика-2016», а также: XLIII, XLIV, XLV и XLVII научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО; III, IV, V, VI, VII всероссийский конгресс молодых ученых.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 6 статей, включенных в международные базы данных Web of Science и Scopus, 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в диссертационные исследования.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 109 наименований, содержит 103 страницы основного текста, 83 рисунка.