Автореферат (Измерение границ объектов по оптическим изображениям в условиях дифракционного размытия)

На правах рукописиИНОЧКИН Федор МихайловичИЗМЕРЕНИЕ ГРАНИЦ ОБЪЕКТОВ ПО ОПТИЧЕСКИМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ ВУСЛОВИЯХ ДИФРАКЦИОННОГО РАЗМЫТИЯСпециальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющиесистемы (машиностроение)Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукСанкт-Петербург – 2019Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательномучреждениивысшего образования«Санкт-Петербургскийполитехническийуниверситет Петра Великого» (ФГАОУ ВО «СПбПУ»).Научный руководитель:кандидат технических наук, доцент,Круглов Сергей КонстантиновичОфициальные оппоненты:доктор технических наук,Гуревич Борис Симховичфедеральноегосударственноеавтономноеобразовательное учреждение высшего образования«Санкт-Петербургский электротехнический институт(ЛЭТИ)», главный научный сотрудниккандидат технических наук,Леонов Михаил Борисовичфилиалакционерногообщества«Корпорациякосмическихсистемспециальногоназначения«Комета» - «Научно-проектный центр оптоэлектронныхкомплексов наблюдения», старший научный сотрудникВедущая организация:Акционерное общество «Научно-исследовательскийинститут телевидения»Защита диссертации состоится «20» июля 2019 г.

в 16-00 на заседаниидиссертационного совета Д 212.229.10 при ФГАОУ ВО «СПбПУ» по адресу: 194021,Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 21, 9 учебный корпус (институткомпьютерных наук и технологий), ауд.121.С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГАОУ ВО«СПбПУ» и на сайте http://www.spbstu.ru.Автореферат разослан «__» _____ 2019 г.Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах просим направить по адресу 194021,Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 21, 9 учебный корпус (институткомпьютерных наук и технологий), ауд. 525, ученому секретарю диссертационногосовета Д 212.229.10 Богач Наталье Владимировне.Ученый секретарьдиссертационного советакандидат технических наук, доцентБогач Наталья Владимировна2ИЗМЕРЕНИЕ ГРАНИЦ ОБЪЕКТОВ ПО ОПТИЧЕСКИМИЗОБРАЖЕНИЯМ В УСЛОВИЯХ ДИФРАКЦИОННОГО РАЗМЫТИЯОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы диссертации.

В связи с прогрессом в технологиитвердотельных матричных фотоприемников изображений и аппаратных средствцифровой обработки изображений, оптические методы измерения геометрическихпараметров объектов находят все более широкое применение в широком спектре задачфундаментального и прикладного характера: исследование деформаций конструкций иматериалов в различных условиях их эксплуатации, промышленный контроль иуправление производством, автономная пространственная навигация, медицинскаядиагностика, дистанционное зондирование Земли, микробиологические исследования.К преимуществам оптических методов измерения относят бесконтактность,монолитность конструкции измерительной системы, отсутствие подвижных частейсистемы, возможность дистанционных измерений.Одной из проблем, возникающих при применении оптических методов дляизмерения геометрии объектов, является ограниченная разрешающая способностьоптических систем, проявляющаяся в виде дифракционного размытия изображений.Дифракционное размытие является неотъемлемым свойством традиционныхоптическихсистемихарактеризуетсяснижениемамплитудно-частотнойхарактеристики изображений в области высоких частот, достигая полного затуханияпространственно-частотного спектра изображения свыше некоторой предельной (дляданной системы) частоты.

Следствием дифракционного размытия является необратимаяпотеря высокочастотной информации о наблюдаемом объекте, что проявляется в видесглаживания наблюдаемых малоразмерных деталей границ объектов, вплоть донеразрешимости таких деталей границ на изображении.На сегодняшний день данная проблема наиболее актуальная для тех приложенийизмерительных систем, где требуется большое увеличение изображения:микробиологические исследования, измерение микродеформаций материалов иконструкций, производство микроэлектронных изделий, идентификация и измерениепараметров космических объектов.

При этом в связи с тенденцией к миниатюризациифотоприемных матриц (снижении размеров растровых элементов при увеличении ихчисла), с течением времени, вероятно, следует ожидать увеличения роли проблемыдифракционного размытия во все более широком круге задач – в том числе и в техприложениях, где в настоящее время ограничивающим фактором разрешающейспособности системы является частота пространственной дискретизации изображений.Алгоритмические и математические основы методов обнаружения и измерения(оценки) положения элементов границ объектов по цифровым изображениям былизаложены еще на рубеже 1960х-1970х гг. в работах А.

Розенфельда, Л. Робертса, Дж.3Прюитта, И. Собеля. Эти классические работы положили начало широкому спектруисследований и разработок, направленных на повышение надежности и точностиалгоритмов обнаружения и оценки границ. Так, за прошедшие годы были разработаныотличающиеся высокой устойчивостью к шуму при обеспечении высокойсубпиксельной точности методы на основе интегральных моментов изображения (E. P.Lyvers, A.

J. Tabatabai, O. Mitchell, Ghosal S., Mehrotra R., Bin T. J., Trujillo-pino А.,Krissian К.), специализированные методы для высокоточных измерений положенияграниц по размытым изображениям на основе аппроксимации регистрируемого сигналагладкими функциями (Rocket P., Fabijanska A., Bailey D. G., Heidingsfelder P., Chen P.,Sun Q., Nalwa V., Binford T.O., Hagara M.), а также отличающиеся высокойустойчивостью к неравномерности яркости методы активных контуров (Kass M., WitkinA., Terzopoulos D., Chan T., Vese L., Михайличенко А.А., Демяненко Я.М., Петров В.О.,Привалов О.О., Чернухин Н.А., Мурашов Д.М., Семашко А.С., Крылов А.С., РодинА.С.).Независимо от указанных методов и алгоритмов, в прошедшие годы такжеосуществлялось бурное развитие методов компенсации размытия (деконволюции)изображений.

Для решения этой проблемы на сегодняшний день активно применяютсяклассический метод фильтрации Винера, итерационный нелинейный метод ЛюсиРичардсона, методы на основе эффективных оптимизационных стратегийвосстановления изображения. Следует отметить, что с учетом необратимостидифракционного размытия, данная задача наиболее эффективно решается спривлечением методов регуляризации, рассматриваемых как отечественными (ВасинВ.В., Сережникова Т.И., Сизиков В.С., Малыхин В. М., Малыхина Г.Ф., Меpкушева А.В.), так и зарубежными учеными.

Существенный глобальный вклад в данномнаправлении внесли ставшие классическими работы по решению некорректных задачТихонова А.Н., Арсенина В.Я.Для непосредственного извлечения информации об объекте, утеряннойвследствие дифракционного ограничения разрешающей способности оптическихсистем, в последние 20 лет было разработано и реализовано несколько эффективныхметодов оптического сверхразрешения: структурированное освещение (Gustaffson M.G.), фурье-птихография (G. Zheng, R.

Horstmeyer, C. Yang), семейство методов на основенелинейных эффектов флуоресценции (S. W. Hell, J. Wichmann, M. J. Rust, M. Bates, X.Zhuang). Указанные методы на практике достигают многократного (более 4-х крат)повышения разрешающей способности оптических систем.Однако, на сегодняшний день проблема обработки дифракционно-размытыхизображений в прикладном аспекте измерения границ объектов представляетсяпроработанной в недостаточной степени. Так, большинство исследований в областивысокоточных методов и алгоритмов измерения границ ориентировано скорее на4проблему пониженной частоты пространственной дискретизации, а не на проблемунедостаточного оптического разрешения.

При этом известные специализированныеметоды оценки координат граничных точек для размытых изображений, как правило,ограничены одномерными моделями обрабатываемых сигналов и, таким образом, непозволяют скомпенсировать сглаживающее влияния размытия на двумерный контурграницы объекта. Методы восстановления размытых изображений, являясь признанными эффективным инструментом для повышения их визуальной четкости, не учитывают вполной мере специфику измерительных задач и ту априорную информацию об объектеизмерения, которая может быть введена в достаточно широком классе прикладныхизмерительных систем.

Что касается методов оптического сверхразрешения, то онитребуют создания весьма специфичных условий освещения наблюдаемого объекта, непозволяя работать в «пассивном» режиме, а также значительно усложняя аппаратнуючасть измерительной системы и снижая при этом её быстродействие.Таким образом, тема диссертационного исследования – измерение границобъектов по оптическим изображениям в условиях дифракционного размытия –является актуальной.Основная идея диссертационного исследования заключается в том, чтобы решатьзадачи оценки границ и компенсации размытия совместно, путем аппроксимациирегистрируемого камерой изображения изображением, моделируемым численно.

Такимобразом, компенсация размытия изображения будет осуществляться с учетомаприорной информации о наличии четкой границы объекта в анализируемой областиизображения – что следует из самой постановки задачи. В то же время, оценка границыобъекта будет выполняться с учетом влияния размытия изображения на оцениваемыйконтур границы.

Следовательно, основная гипотеза работы заключается в том, чтосовместное решение задач компенсации размытия изображения и оценки границобъектов позволяет получить более точное решение по сравнению с последовательнымнезависимым решением указанных задач.Цель работы – повышение точности оценивания границ объектов по оптическимизображениям в условиях дифракционного размытия путем аппроксимациирегистрируемого камерой изображения изображением, моделируемым численно.Актуальная научная задача – преодоление предела разрешающей способностиоптических приборов и систем формирования изображений.Для достижения цели требуется решить следующие задачи:1.

На основе анализа литературы по методам и алгоритмам оценки границ объектовопределить факторы снижения точности оценивания.2. Разработать математическую модель непрерывного изображения объекта счеткой границей, адекватную реальным оптическим изображениям.53. Разработать алгоритм моделирования дискретного изображения объекта с четкойграницей при заданных параметрах границы объекта (прямая задача).4. Разработать алгоритм оценивания параметров границы объекта по заданномудискретному сигналу изображения (обратная задача).5.