Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 - Аналитический обзор оптических методов контроля линейных микроперемещений 9
1.1 Оптические методы контроля линейных микроперемещений 9
1.1.1 Методы контроля линейных микроперемещений, основанные на принципах геометрической оптики 10
1.1.2 Интерференционные методы контроля линейных микроперемещений 14
1.1.3 Растровые методы контроля линейных микроперемещений 16
1.2 Принципы построения цветных видеокамер на основе ПЗС 21
1.3 Апертурная характеристика фоточувствительного элемента 24
Глава 2 — Теоретические исследования относительной спектральной и апертурной характеристик цветного фоточувствительного элемента 30
2.1 Теоретическое исследование относительной спектральной характеристики цветного фоточувствительного элемента 30
2.2 Теоретическое исследование апертурной характеристики цветного фоточувств ителыюго элемента 34
2.3 Теоретическая оценка апертурных характеристик цветных фото чувствительных элементов 43
Глава 3 - Экспериментальные исследования относительной спектральной и апертурной характеристик цветного фото чувствительного элемента 51
3.1 Экспериментальные исследования относительной спектральной характеристики цветного фоточувствительного элемента 51
3.2 Экспериментальные исследования апертурных характеристик цветных фотрчувствительных элементов 55
3.3 Методика определения организации цветных фоточувствительных элементов видеокамеры 74
Глава 4 - Разработка оптического метода контроля линейных микроперемещений с помощью цветной видеокамеры при нониусном сопряжении растров 77
4.1 Применение апертурной характеристики цветного фоточувствительного элемента для контроля перемещений 77
4.2 Методы коррекции сигнала, поступающего с цветной видеокамеры 80
4.3 Оптический метод контроля линейных микроперемещений с помощью цветной видеокамеры при нониусном сопряжении растров 82
4.4 Практическая реализация оптического метода контроля линейных микроперемещений с помощью цветной видеокамеры на больших расстояниях до объектива при нониусном сопряжении растров 85
4.5 Оценка погрешности оптического метода контроля линейных микроперемещений с помощью цветной видеокамеры при нониусном сопряжении растров 91
Заключение 95
Список литературы. 97
Приложения 106
- Принципы построения цветных видеокамер на основе ПЗС
- Теоретическое исследование апертурной характеристики цветного фоточувств ителыюго элемента
- Экспериментальные исследования апертурных характеристик цветных фотрчувствительных элементов
- Методы коррекции сигнала, поступающего с цветной видеокамеры
Введение к работе
Современная астрономия, наука, медицина и промышленность широко используют цветные видеокамеры как информационно-измерительные системы. Такие системы способны выполнять фотометрическую и геометрическую идентификацию объекта исследования [15, 45]. Большую долю всех измерений составляют измерения геометрических размеров и линейных микроперемещений [62].
Существует ряд оптических методов, позволяющих производить контроль линейных микроперемещений. К ним относятся методы и средства теневой проекции, а также интерференционные, дифракционные и растровые методы и средства контроля линейных микроперемещений. Однако все они имеют существенный недостаток. При увеличении расстояния от первичного измерительного преобразователя до объекта исследования значительно повышается погрешность контроля. Для уменьшения погрешности усложняют алгоритмы обработки измерительного сигнала или схемотехнические решения при изготовлении оптических звеньев. В том и другом случаях существенно повышается стоимость измерительных систем, при этом точность контроля повышается незначительно [85].
Актуальной является проблема создания высокоточной измерительной системы, способной контролировать линейные микроперемещения объекта на удалении в десятки раз превышающем фокусное расстояние объектива.
Перспективными высокоточными методами контроля линейных микроперемещений на больших расстояниях являются растровые методы, реализующие нониусное растровое сопряжение. В таком устройстве индикаторным растром служат цветные фоточувствительные элементы ПЗС-фотоприемника видеокамеры, а измерительным - изображение растра, расположенного на объекте перемещения.
Для построения высокоточных растровых измерительных систем необходимо иметь информацию об апертурных и спектральных характеристиках
фото чувствительных элементов. Для многоэлементных фотоприемников они известны. Однако цветные фоточувствительные элементы образованы посредством объединения нескольких фоточувствительных элементов с различными светофильтрами. Апертурные и спектральные характеристики цветных фоточувствительных элементов в научно-технической литературе отсутствуют.
Целью работы является разработка оптического метода и средства контроля линейных микроперемещений объекта, расположенного на удалении, в десятки раз превышающем фокусное расстояние объектива, с помощью цветной видеокамеры при нониусном сопряжении растров.
Задачи исследований:
Принципы построения цветных видеокамер на основе ПЗС
Жесткая геометрия растра матричных ПЗС позволяет строить высококачественные многосигнальные фотоэлектрические преобразователи, формирующие одновременно сигналы яркости и цветности на одном матричном фотоприемнике [2,4? 7, 8,11, 24, 42, 56,57, 64, 66, 76, 79, 95].
Для этого на светочувствительную поверхность наносят кодирующие светофильтры. Простейший тип кодирующего светофильтра представляет собой полоски красного, зеленого и синего цветов, нанесенные на соответствующие столбцы матричного ПЗС.
Таким образом, в выходном видеосигнале матричного ПЗС последовательно формируются отсчеты, соответствующие красному, зеленому и синему (рисунок 1.6, а). Недостатком такого светофильтра является снижение разрешающей способности вдоль строки в три раза, так как на формирование одного цветного элемента используются три столбца матричного ПЗС, а также трехкратное снижение чувствительности, вызванное поглощением светового потока в светофильтрах [92]. Развитием полосковых кодирующих светофильтров стали мозаичные светофильтры (рисунок 1.6, б).
В современных видеокамерах применен так называемый метод пространственного смещения, который позволяет удвоить горизонтальную разрешающую способность [21].
В большинстве цифровых камер наиболее популярными являются массивы фильтров цветовой модели Байера. В этой системе фильтры расположены вперемежку, в шахматном порядке, а количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих. Порядок расположения таков, что красные и синие фильтры расположены между зелеными.
Такое количественное соотношение объясняется строением человеческого глаза — он более чувствителен к зеленому свету. Шахматный порядок обеспечивает одинаковые по цвету изображения независимо от того, как расположена камера (вертикально или горизонтально). При чтении информации с такой матрицы, цвета записываются последовательно в строчках. Первая строчка должна быть BGBGBG, следующая - GRGRGR и т.д. Такая технология называется последовательной RGB.
В ПЗС камерах совмещение трех сигналов происходит не на фоточувствительном элементе, а в устройстве формирования изображения, уже после того, как сигнал преобразован из аналогового вида в цифровой. Первичные цвета каждого фильтра математически интерполируются с учетом цветов соседних фильтров.
Принципиально другим направлением в создании современных цветных видеокамер является применение трех ПЗС-матриц. Принцип действиятакой камеры с тремя матрицами заключается в расщеплении приходящего света на красную, зеленую и синюю составляющие, причем каждая из них направляется на свою матрицу.
На сегодняшний день наиболее распространены цветные видеокамеры с кодирующими светофильтрами. Использование различных светофильтров усложняет вид апертурных характеристик, получаемых с видеокамеры, а, следовательно, усложняет применение видеокамеры в качестве измерителя перемещений. Также при работе с цветной видеокамерой необходимо использовать различных алгоритмов обработки изображения, что снижает производительность измерительной системы [34, 39, 59, 61, 65, 72, 89, 90, 91]. Значит, перед тем как использовать видеокамеру в качестве измерителя перемещений необходимо изучить апертурную характеристику ее фоточувствительных элементов.
Приборы с зарядовой связью нашли широкое применение в различных областях науки и техники. На сегодняшний день практически все видеокамеры строятся на основе матричных ПЗС [16, 40, 93].
Применение ПЗС-фотоприемников в качестве бесконтактных измерителей перемещений требует изучения апертурой характеристики. От вида апертурной характеристики зависит точность контроля перемещений, когда контролируемое перемещение составляет доли размера самого фоточувствительного элемента [74, 77].
В литературе нет единого подхода к определению понятия апертурная характеристика. Апертурная характеристика определяется как зависимость глубины модуляции сигнала на выходе от числа черных и белых штрихов N, размещенных на строке во входном изображении на участке, равном высоте кадра [39]:
Апертурно-частотная характеристика представляет собой зависимость глубины модуляции видеосигнала, сформированного из оптического изображения синусоидальной штриховой миры, от пространственной частоты этой миры, выраженной в телевизионных линиях [1].
Развертывающая, или считывающая апертура - это точечное отверстие, которое по размеру равно одному светочувствительному элементу в камерах на ПЗС и через которое считывается изображение.Апертура —действующее отверстие оптической системы [87].
В диссертации под апертурной характеристикой фоточувствительного элемента понимается зависимость эффективности сбора в элементе носителей заряда, образующихся в полупроводнике при проектировании светового штриха бесконечно малой ширины, от положения этого штриха [6].
Под фото чувствительным элементом ФПЗС понимается часть фоточувствительного прибора с переносом заряда, в котором происходит формирование одного зарядового пакета [30].
Под цветным фоточувствительным элементом понимается часть фоточувствительного прибора с переносом заряда, в котором происходит формирование нескольких зарядовых пакетов, необходимых для определения яркости и цветности потока излучения, подлежащего регистрации.
Под апертурной характеристикой цветного фоточувствительного элемента понимается зависимость эффективности сбора в цветном фоточувствительном элементе носителей заряда, образующихся в полупроводнике при проектировании светового штриха бесконечно малой ширины, от положения этого штриха.
Апертурная характеристика матричного ФПЗС формирователя видеосигнала зависит главным образом от размеров и шага фоточувствительных элементов, диффузионного растекания и эффективности переноса неосновных носителей [53].
Теоретическое исследование апертурной характеристики цветного фоточувств ителыюго элемента
Дня решения задачи использована модель, связывающая изображение тест-объекта в пространстве фотоприемника, функцию рассеяния линии объектива и апертурную характеристику цветного фоточувствителыюго элемента [10, 94]:где S(x) - сигнал, поступающий с ЦФЧЭ;fo(x) изображение тест-объекта в области ПЗС-фотоприемника;Афрл(х) — функция рассеяния линии;А(х) — апертурная характеристика ЦФЧЭ.
Объектив видеокамеры представляет собой хорошо исправленную по абберациям оптическую систему. Кружок рассеяния в этом случае определяется дифракцией на входном значке объектива. Известно, что радиус кружка рассеяния г равен [98]:где Я —длина волны источника света;/ - заднее фокусное расстояние;D - диаметр входного значка.
Принимаем/ = 40 мм; D = 20 мм и Я = 0,63 мкм. Тогда диаметр кружка рассеяния в соответствии с формулой (2.9) будет составлять:
Полученное значение представляет максимальный размер функции рассеяния линии. Для других длин волн оптического диапазона диаметр уменьшается.
Размер фоточувствительного элемента видеокамеры равен 10-И 2 мкм. Поскольку сигнал формируется из нескольких фоточувствительных элементов, то размер апертурной характеристики составляет 30 36 мкм. Таким об разом, размер функции рассеяния линии на порядок меньше размера цветного фоточувствительного элемента. Следовательно, функцию рассеяния линии можно принять в форме (5-функции:
Тогда сигнал на выходе цветного фоточувствительного элемента равен:Если тест-объект представить в виде белого штриха бесконечно малой ширины, то есть (5-функции, тогда формула (2.10) примет вид:
Следовательно, идеальный сигнал на выходе видеокамеры цветного изображения от -функции соответствует значению апертурной характеристики цветного фоточувствительного элемента.
На практике получить изображение тест-объекта в виде -функции очень сложно. Применяют тест-объект в виде одного штриха. С учетом размеров штриха функцию его освещенности в области ПЗС-фотоприемника можно записать как:
Значит, чем больше увеличение видеокамеры, тем больше размер штриха в пространстве изображения и тем больше область неопределенности сигнала при получении апертурной характеристики цветного фоточувствительного элемента. Чем меньше увеличение оптической системы, тем меньше размер штриха в пространстве изображения и тем точнее можно по лучит апертурную характеристику цветного фоточувствительного элемента. На практике при малом увеличении значительно снижается освещенность в изображении штриха. Сигнал теряется на уровне шумов. Возникает проблема определения положения размытого изображения штриха на ПЗС-фотоприемнике видеокамеры. Область неопределенности можно значительно уменьшить при малом увеличении объектива видеокамеры, используя растр в виде двух штрихов с коэффициентом заполнения 0,75. В этом случае необходимо контролировать положение не максимума интенсивности в изображении растра, а положение минимума интенсивности.
Для исследования апертурной характеристики цветного фоточувствительного элемента видеокамеры использовался растр в виде двух узких прорезей, введенных в световой поток с заданной длиной волны. Функция рассеяния линии объектива аппроксимирована -функцией. Тогда модель изображения выбранного растра в плоскости фотоприемника видеокамеры можно записать в нормированном по амплитуде виде:
Параметры а и К в формуле (2.12) функционально связаны с коэффициентом линейного увеличения. Как показали установочные эксперименты, при уменьшении линейного увеличения скорость изменения уровня яркостного провала в изображении растра в виде двух светлых штрихов /Г меньше скорости изменения размера гауссоиды а по уровню 0,606:Следовательно, при уменьшении увеличения а будет быстрее стремиться к нулю, чем К.
Сигнал S(x) на выходе цветного фоточувствительного элемента может быть представлен как свертка изображения (2.12) с его апертурной характеристикой:
При условии а —» О экспонента преобразуется в -функцию. Из равенства (2.13) можно получить апертурную характеристику ЦФЧЭ:
Из проведенного исследования можно сделать вывод, что для определения апертурной характеристики цветного фоточувствительного элемента можно использовать растр в виде двух светлых штрихов вместо одного светлого штриха. При использовании растра в виде двух светлых штрихов апертурная характеристика получается путем инверсии сигнала, поступающего с цветного фоточувствительного элемента.
Для ПЗС-фотоприемников известны экспериментальные апертурные характеристики фоточувствительных элементов. Такие апертурные характеристики имеют вид гауссоды с плоской вершиной и крутыми фронтами, которые наиболее близко описываются уравнением:где А - максимальное значение функции;Х(, - координата центра фоточувствительного элемента; Ро - размер функции по уровню 0,513.
Экспериментальные исследования апертурных характеристик цветных фотрчувствительных элементов
Для исследования апертурной характеристики ЦФЧЭ применялся монохроматор КФК-3. В предыдущих экспериментах было выяснено, что в видеокамере используются три вида светофильтров, поэтому в эксперименте были выбраны длины волн пропускания этих светофильтров А=480 нм, /1=570 нм, Я=670 нм. Монохроматический свет от КФК-3 проходил через пропускающий растр, который располагался на микрометрическом столике, перемещающийся с шагом 10 мкм, попадал на ПЗС-фотоприемник видеокамеры Sumsung, отстоящей от преломляющей призмы на 1 м. Сигнал ПЗС-фотоприемника поступал на монитор персонального компьютера и обраба
Экспериментальные и теоретические апертурные характеристики цветного фоточувствительного элемента, построенные по формуле (2.15) и Максимум теоретической апертурной характеристики при Я = 480 нм приходится на XQ = 480 мкм, при Я = 570 нм приходится на хо = 520 мкм, при Я = 670 нм приходится на х0 - 570 мкм. Максимальное расхождение экспериментальной и теоретической характеристик составляет 18%, что объясняется большой нестабильностью сигнала. При стабилизации сигнала можно значительно уменьшить погрешность модели, следовательно, апертурные характеристики одного ЦФЧЭ при освещении его монохроматическим светом длиной волны Я = 480 нм, Я = 570 нм и Я = 670 нм имеет вид гауссоды со смещенными максимумами.
Взаимное смещение апертурных характеристик разных цветных фоточувствительных элементов может быть различным (рисунок 3.6).
Как видно из рисунка 3.6 взаимное смещение апертурных характеристик ЦФЧЭ при освещении монохроматическим световым потоком длиной волны Я = 480 нм, Я = 570 нм и X = 670 нм может быть различным.
Для установления закономерности организации цветных фоточувствительных элементов были проведены следующие эксперименты.
В экспериментальной установке вместо монохроматора и пропускающего растра был установлен отражающий растр, освещаемый лампой нака ливания. Предполагается, что свет от лампы накаливания имеет спектр видимого диапазона, а отражающий растр, выполненный из бумаги, представляет собой Ламбертов источник [51].
Отражающий растр устанавливался таким образом, чтобы светлые полосы были параллельны строкам фоточувствительных элементов видеокамеры. Этого добиваются контролем геометрии растра на экране монитора персонального компьютера. Расстояние от растра до видеокамеры составляло 1 м. Растр перемещали на микрометрическом столике с шагом 10 мкм. Следует отметить, что увеличение видеокамеры выбиралось таким, чтобы изменение сигнала с цветного фото чувствительно го элемента не превышало половины максимального уровня. Результаты проведенного эксперимента приведены на рисунке 3.7.
Из рисунка 3.7 можно сделать вывод, что вид изменения сигнала от перемещения для различных фоточувствительных элементов различен, причем периодичность появления подобной структуры составляет одиннадцать элементов. Внутри периода графики изменения сигнала симметричны относительно центральных графиков. Графики изменения сигнала с крайних и цен тральных элементов симметричны, все остальные графики асимметричны. Также можно сделать вывод о том, что ширина графиков изменения сигнала с разных элементов различная.
Для удобства анализа экспериментальные апертурные характеристики пронумерованы от 1 до 12. Площадь под каждым графиком одинакова, из этого можно сделать вывод, что каждый ЦФЧЭ собирает одинаковое количество световой энергии. Следует заметить, что ширина и минимальный уровень характеристик различны, значит, цветные фоточувствительные элементы имеют различную геометрическую ориентацию составляющих их фоточувствительных элементов.
В современных видеокамерах наиболее распространены светофильтры, построенные по модели Байера, в которых зеленых светофильтров в два раза больше, чем синих и красных. По экспериментальным апертурным характеристикам цветных фоточувствительных элементов можно определить расположение фоточувствительных элементов.
Апертурная характеристика цветного фоточувствительного элемента под номером 1 имеет два максимума одного порядка и один минимум. Из этого можно сделать вывод, что в ЦФЧЭ под номером 1 все фото чувствительные элементы расположены в двух строках, так как уровни максимумов все же различаются, то в данных столбцах одинаковое количество фоточувствительных элементов, например, по три, но их спектральные чувствительности различны.ЦФЧЭ под номером 2 и 3 имеют идентичные апертурные характеристики
Методы коррекции сигнала, поступающего с цветной видеокамеры
Проведем исследование двух видов случайной погрешности измерительной системы, построенной на основе видеокамеры.
С целью уменьшения случайной погрешности, возникающей из-за неравномерности чувствительности ПЗС-фотоприемника, применялась низкочастотная фильтрация в пространстве, работающая следующим образом [32, 96].
Как показали установочные эксперименты, характер изменения сигнала от величины перемещения вдоль столбца ПЗС-фотоприемника видеокамеры постоянен.
Значение сигнала, снимаемого су -ого столбца при использовании низкочастотной фильтрации в пространстве для п строк, рассчитывается по формуле:
С целью уменьшения случайной погрешности, возникающей счет шумов отдельных фото чувствительных элементов ПЗС-фотоприемника, применялась низкочастотная фильтрация во времени, работающая по следующему алгоритму. Сначала формируется выборка, состоящая из т значений сигнала, для которой вычисляется математическое ожидание. Запускается цикл обра ботки кадра с изображением растра, который поступает с видеокамеры. «Новое» значение сигнала добавляется в конец выборки, а самое «старое» значение сигнала удаляется из нее, для новой выборки вычисляется математическое ожидание и запускается следугощий цикл. Таким образом, за т циклов вся выборка обновится, но для каждого из циклов будет вычислено математическое ожидание сигнала. Производительность измерительной системы все же останется равной времени выполнения п циклов программного комплекса (время выполнения одного цикла 10 мс).
Математическое ожидание для -го, (j+I)-ro и (/+т)-го цикла рассчитываются по формулам:На рисунке 4.1 представлен график изменения сигнала без применениянизкочастотной фильтрации во времени и в пространстве и с применениемпространственно-временной фильтрации, причем параметры п = 5 и т = 10выбирались по критерию минимального средне квадрати чес ко го отклоненияи максимальной производительности. Рисунок 4.1 — График изменения сигнала без применения низкочастотной фильтрации и с применением низкочастотной пространственно-временнойфильтрации
Проведенные экспериментальные исследования показали, что применение низкочастотной фильтрации в пространстве и во времени для обработки кадров с изображением растра снижает случайный шум в 7 раз.
Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволяют разработать новый метод контроля линейных перемещений с помощью видеокамеры на больших расстояниях.
Суть метода контроля линейных перемещений с помощью видеокамеры на больших расстояниях состоит в следующем:1) Устраняется случайная погрешность с помощью применения пространственно-временной низкочастотной фильтрации, принцип которой описан в пункте 4.1.2) Определяется организация цветных фоточувствительных элементов видеокамеры по методике, описанной в пункте 3.4.3) Выбирается один или несколько цветных фоточувствительных элементов, апертурные характеристики которых имеют наибольшую чувствительность.4) На выбранных цветных фоточувствительных элементах выделяются три области: центральная и две крайних. При проецировании темного пятна на крайние области чувствительность изменения сигнала от перемещения максимальна, а при проецировании на центральную область — минимальна.5) Разрабатывается измерительный растр, отдельные элементы которого представляют собой два светлых штриха на темном фоне с коэффициентом заполнения 0,75, расположенные один под другим и сдвинутые друг относительно друга на одну шестнадцатую расстояниях между штрихами. Количество элементов измерительного растра кратно периоду появления выбранного цветного фоточувствительного элемента.6) Производится калибровка измерительной системы: изменение сигнала с одной из крайних областей выбранного цветного фоточувствительного элемента от перемещения каждого элемента измерительного растра аппроксимируется прямой линией, которая характеризуется тангенсом угла наклона к-, и изменением сигнала от 5,. до S,..
При проведении измерения фиксируются номера начального и конечного элементов измерительного растра пнач, пКпн и величины сигналов, снимаемых с цветного фоточувствительного элемента при проецировании начального и конечного элементов измерительного растра, Л ", S"" . Номер элемента определяется по динамике изменения сигнала с выбранного цветного фоточувствительного элемента. При выполнении условия (4.2) номер рабочего участка равен /.где Si - сигнал, получаемый с выбранного цветного фоточувствительногоэлемента, при проецировании /-го элемента измерительного растра. Направление перемещения определяется путем сравнения номеров начального и конечного элементов измерительного растра: если пнач пкои, тогда измерение производится в прямом направлении; если пнач пко», тогда измерение производится в обратном направлении, при этом значение параметров пнач и nKOII, S" " и 5" " меняются местами.8) Вычисление измеренной величины перемещения производиться по формуле:
На рисунке 4.2 приведено графическое пояснение метода контроля перемещений с помощью видеокамеры на больших расстояниях. Для практической реализации оптического метода контроля микроперемещений с помощью видеокамеры на больших расстояниях разработана программа ИРП. С ее помощью построены статические характеристики измерительной системы и оценены погрешности.
