Автореферат (Измерение границ объектов по оптическим изображениям в условиях дифракционного размытия), страница 2

Реализовать разработанные алгоритмы и провести исследование точностиизмерения границы для разрабатываемого и известных методов с учетом влияниявыявленных в п.1 факторов снижения точности.6. Провести исследование характеристик разработанного метода в приложении креальной измерительной системе.Объект исследования – методы и алгоритмы оценки контуров объектов пооптическим изображениям.Предмет исследования – точность оценки контуров объектов в условияхдифракционного размытия изображений.Методы исследования.

Основные методы, использованные при проведенииисследования – численная оптимизация, методы решения математически некорректныхзадач, методы цифровой обработки изображений. При сравнительном анализеразработанного и известных подходов использованы методы субпиксельной оценкиконтуров, деконволюции изображений, цифровой корреляции изображений.Исследование характеристик методов оценки контуров объектов осуществлялась путемпроведения вычислительных экспериментов над численно смоделированными инатурными изображениями.Достоверность и обоснованность полученных научных результатовопределяется непротиворечивостью математических выкладок, результатамивычислительных экспериментов над натурными и смоделированными данными,экспериментальной проверкой программной реализации разработанных алгоритмов имоделей в прикладной задаче измерения параметров температурного расширенияобъектов оптическим методом.Научная новизна результатов работы заключается в том, что предложен методизмерения границ объектов для размытых изображений на основе итерационногоуточнения измеряемых координат граничных точек путем минимизации функционаланевязки регистрируемого камерой изображения и изображения, моделируемогочисленно.

При этом:1. Предложен вычислительно-эффективный алгоритм субпиксельного численногомоделирования изображения с финитным спектром для объектов с четкойзамкнутой границей, основанный на аналитическом расчете фурье-образаограничивающего объект многоугольника.62. Предложен алгоритм решения обратной задачи (измерения координат граничныхточек) на основе двухуровневой минимизации функционала невязки иобоснована эффективность предложенного алгоритма.3. Разработана методика количественного исследования и получены новыерезультаты исследования точности оценки границ объектов различнымиалгоритмами в условиях дифракционного размытия.4.

Разработана методика применения предложенного метода оценки границ вприкладной задаче оптического измерения температурного коэффициенталинейного расширения образцов твердых материалов.На защиту выносятся следующие основные научные положения ирезультаты:1.

Метод оценки границ объектов, основанный на аппроксимации регистрируемогокамерой изображения изображением, моделируемым численно.2. Алгоритм моделирования изображения с финитным спектром для объекта счеткой границей на основе частично аналитического расчета дискретного фурьеобраза ограничивающего объект многоугольника (прямая задача).3. Алгоритм оценки координат граничных точек, основанный на двухуровневойчисленнойминимизациифункционаланевязкирегистрируемогоимоделируемого изображений (обратная задача).4. Результаты исследования точности оценивания границ в условиях влияниядифракционного размытия изображений.5. Методика повышения точности измерений с помощью разработанного метода вприкладной задаче бесконтактного измерения температурного коэффициенталинейного расширения образцов твердых материалов.Практическая ценность работы.

Практически значимыми результатами работыявляются:1. Программнаяреализацияпредложенноговычислительно-эффективногоалгоритма моделирования изображений на основе частично аналитическогорасчета дискретного фурье-образа ограничивающего объект многоугольника ввиде последовательной программы, а также с использованием технологиипараллельных вычислений OpenCL.2.

Программная реализация предложенного алгоритма оценки координатграничных точек.3. Программное обеспечение оценки контуров объектов по оптическимизображениям, позволяющее применять предложенный метод и разработанныеалгоритмы в интерактивном и пакетном режимах обработки.4. Прикладное программное обеспечение обработки данных высокотемпературногодилатометра ДОВ-1 (ВНИИМ им. Д. И. Менделеева), позволяющее измерять7величину температурного удлинения образцов твердых материалов пооптическим изображениям краев исследуемых образцов.Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работыдокладывались на следующих конференциях: 10-й, 12-й, 13-й 15-й Международнойконференции «Телевидение: передача и обработка изображений» (г. Санкт-Петербург,2013, 2015, 2016 и 2018), 5-й Всероссийской и стран КООМЕТ конференции попроблемамтермометрии«Температура-2015»(г.

Санкт-Петербург, 2015),международной конференции «IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical andElectronic Engineering Conference ElConRus» (г. Санкт-Петербург, 2016 и 2017), 20-й и21-й Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям (г. СанктПетербург, 2017 и 2018), международном симпозиуме «SPIE Optical Metrology»(г. Мюнхен, 2017), 25-й Международной конференции «IEEE International Conference onImage Processing (ICIP)» (г.

Афины, 2018).Реализация и внедрение результатов. Разработанные алгоритмы для выделенииграниц объектов на изображениях при обработке последовательности видеокадров, вчастности, алгоритм с регуляризацией оптимизационной задачи на основе гипотезыплавного контура объекта, а также компьютерные программы для регистрации иобработки видеопоследовательностей использованы при проведении в 2018 г. научноисследовательской работы «Разработка передовых технологий бесконтактногоконтроля объектов на основе регистрации и обработки последовательностивидеокадров» (тема 17613 по государственному заданию № 8.2501.2017/ПЧ от31.05.2017 г.),выполняемойфедеральнымгосударственнымавтономнымобразовательным учреждением высшего образования «Санкт-Петербургскийнациональный исследовательский университет информационных технологий, механикии оптики» (Университет ИТМО).Разработанное программное обеспечение применяется во всероссийском научноисследовательском институте метрологии им.

Д. И. Менделеева (ВНИИМ) влаборатории эталонов и научных исследований в области измерений тепловогорасширения. Программное обеспечение решает задачу измерения величинытемпературного расширения образцов твердых материалов по оптическимизображениям, получаемым на высокотемпературном дилатометре ДОВ-1 в диапазонетемператур 1000..3000К. Дилатометр ДОВ-1 включен в состав государственногопервичного эталона единицы температурного коэффициента линейного расширения в2014 г., разработанное программное обеспечение внедрено в процессе модернизациидилатометра в 2015-2017 гг.Личный вклад автора. Все научные положения и результаты диссертации,выдвигаемые автором для защиты, получены автором лично. Оптико-механическаячасть экспериментальной базы для исследований подготовлена совместно с8Бронштейном И.

Г. Постановка задачи измерения параметров температурногорасширения выполнена совместно с д.т.н. Компан Т. А. Исходные экспериментальныеданные высокотемпературного дилатометра ДОВ-1, а также стенд для калибровкиимпульсного отклика оптической системы дилатометра подготовлены совместно ссотрудниками ВНИИМ Кондратьевым С.

В., Пуховым Н. Ф., Кореневым А. С.Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из которых 4 статьив ведущих рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК (из которых 2 статьив переводном журнале с индексацией в Scopus), 1 статья в научном журналеScopus/WoS, 1 патент на изобретение, тезисы и статьи в сборниках 11 докладовмеждународных и всероссийских конференций (из которых 1 статья на двух языках).Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырехглав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 205 страниц печатноготекста, 58 рисунков, 5 таблиц, список используемой литературы из 125 источников.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обоснована актуальность темы, определен объект исследований,сформулированы цель и задачи, положения и результаты, выдвигаемые для защиты,показаны практическая значимость, апробация и результаты внедрения диссертации.Первая глава диссертации посвящена современному состоянию проблемыизмерения границ объектов по оптическим изображениям.

Глава содержит триосновных раздела: аппаратное обеспечение оптико-электронных измерительныхсистем, методы оценивания границ объектов по оптическим изображениям, факторыснижения точности измерений границ объектов. В первом разделе кратко рассмотреныпринципы построения и современная элементная база аппаратных средств системформирования изображений, при этом уделено внимание методам управлениядатчиками изображений для измерительных систем. Во втором разделе приведен обзорлитературы по методам и алгоритмам обнаружения и оценки границ объектов.Выделены методы приближенного и субпиксельного оценивания границ, рассмотреныпредставители интерполяционных методов, методов моментов, аппроксимационных икомбинационныхметодов.Отмеченаперспективностьразвитияидеиаппроксимационных методов оценивания границ для повышения точности измеренийграниц на размытых изображениях.

В третьем разделе описаны основные факторы,снижающие точность измерения границ объектов: дифракционное размытиеизображения, аберрации оптической системы, недостаточная частота пространственнойдискретизации изображения, неравномерность яркости объекта или фона. Отмеченасложность проблемы измерения границ при дифракционном размытии, обусловленнаяполным затуханием высокочастотных компонент фурье-образа изображения (рис. 1).9ОбъектИзображениеРис. 1 Пример влияния дифракционного размытия на оценку границы объекта:слева – пара точечных источников, по центру – объект и его изображение, справа –модуль фурье-образа объекта и его изображенияРассмотрены методы оптического сверхразрешения, позволяющие частичновосстановить высокочастотные компоненты фурье-образа объекта с помощьюспециальным образом контролируемого освещения.Втораяглавадиссертациипосвященаразработанномуавторомаппроксимационному методу оценивания границ для размытых изображений.