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

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшегообразования «Санкт-Петербургский политехнический университетПетра Великого»На правах рукописиИНОЧКИН ФЕДОР МИХАЙЛОВИЧИЗМЕРЕНИЕ ГРАНИЦ ОБЪЕКТОВ ПО ОПТИЧЕСКИМИЗОБРАЖЕНИЯМ В УСЛОВИЯХ ДИФРАКЦИОННОГО РАЗМЫТИЯСпециальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющиесистемы (машиностроение)Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководителькандидат технических наук,доцент Круглов С. К.Санкт-Петербург - 20192СОДЕРЖАНИЕГЛАВА 1.

Современное состояния проблемы измерения границ объектов поих оптическим изображениям ...................................................................................... 151.1.системАппаратноеобеспечениеоптико-электронныхизмерительных151.1.1. Способы формирования изображений границ объектов ............. 151.1.2. Средства считывания изображений ............................................... 191.2.Методы оценивания границ объектов по их изображениям ........... 311.2.1.

Методы приближенного оценивания границ ................................ 321.2.2. Методы субпиксельного оценивания границ ................................ 401.3.Факторы снижения точности измерения границ объектов ............. 531.3.1. Дифракционное размытие изображений ....................................... 531.3.2. Аберрации оптических систем .......................................................

571.3.3. Пространственная дискретизация изображений .......................... 591.3.4. Неравномерность яркости объекта или фона ................................ 611.4.Выводы по главе 1 ............................................................................... 62ГЛАВА 2. Двумерный аппроксимационный метод оценивания границобъектов.......................................................................................................................... 642.1.Концепция двумерного аппроксимационного метода ..................... 642.1.1. Обоснование двумерного аппроксимационного метода..............

642.1.2. Стратегия оценивания границ двумерной аппроксимацией ....... 672.2.Непрерывная модель изображения .................................................... 682.2.1. Моделирование размытия изображения оптической системой .. 682.2.2. Моделирование границ объекта ..................................................... 7232.2.3. Моделирование распределений яркости объекта и фона ............

742.3.Дискретная модель изображения (прямая задача) ........................... 772.3.1. Математическое описание дискретной модели изображения ..... 782.3.2. Моделирование методом субпиксельной дискретизации ........... 802.3.3. Концепция моделирования изображения в фурье-области ......... 852.3.4. Алгоритм моделирования изображения в фурье-области ........... 882.4.Оценкапараметровмоделиподискретномуизображению(обратная задача) ....................................................................................................... 972.4.1.

Постановка задачи ........................................................................... 972.4.2. Расчет вектора градиента функционала ........................................ 982.4.3. Оптимизационная стратегия решения обратной задачи ............ 1042.4.4. Регуляризация решения на основе гипотезы плавности контураобъекта2.5.110Выводы по главе 2 ............................................................................. 112ГЛАВА 3. Исследование эффективности алгоритмов оценивания границ вусловиях дифракционного размытия ........................................................................ 1143.1.Количественный критерий точности оценки границы ..................

1143.2.Влияние размытия изображения оптической системой................. 1183.2.1. Дифракционное размытие ............................................................. 1183.2.2. Аберрации оптической системы................................................... 1283.3.Влияние неравномерности яркости..................................................

1323.3.1. Влияниенеравномерностияркостинасмещениеоценкиположения границы............................................................................................. 1323.3.2. Влияние текстуры объекта на точность оценки контура ........... 1333.4.Влияние пространственной дискретизации изображения ............. 13643.5.Влияние шума ..................................................................................... 1383.6.Исследование на натурных изображениях ...................................... 1403.6.1. Постановка эксперимента ............................................................. 1403.6.2.

Сравнение методов оценки границ .............................................. 1423.6.3. Влияние параметров метода двумерной аппроксимации наточность оценки границы ................................................................................... 1453.6.4. Сравнение с методами восстановления изображений ............... 1483.7.ГЛАВАВыводы по главе 3 .............................................................................

1524.Применениеметодовоцениванияграницвусловияхдифракционного размытия на примере задачи измерения температурногокоэффициента линейного расширения ..................................................................... 1544.1.Проблема оптического измерения температурного коэффициенталинейного расширения объектов ...........................................................................

1544.1.1. Методы измерения температурного коэффициента линейногорасширения 1544.1.2. Проблематика автоматизированной обработки изображений всистемах измерения температурного расширения .......................................... 1574.2.Система измерения температурного расширения ДОВ-1 ............. 1614.2.1. Общее описание системы .............................................................. 1614.2.2. Подсистема ввода изображений ...................................................

1664.2.3. Прикладное программное обеспечение системы ....................... 1684.3.Измерение расширения образцов в системе ДОВ-1....................... 1724.3.1. Методика расчета величины расширения ................................... 1724.3.2. Алгоритм оценки смещения края образца .................................. 1754.3.3. Сравнение погрешностей методов оценки смещения края образца17854.4.Особенностипрактическойреализациидвумерногоаппроксимационного метода в измерительной системе ДОВ-1 ........................

1824.4.1. Измерение импульсного отклика системы .................................. 1824.4.2. Оценка параметров модели импульсного отклика в условияхмалой глубины резкости системы ..................................................................... 1864.5.Выводы по главе 4 ............................................................................. 1906ВВЕДЕНИЕАктуальность 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 спектрезадач фундаментального и прикладного характера: исследование деформацийконструкций и материалов в различных условиях их эксплуатации, промышленныйконтроль и управление производством, автономная пространственная навигация,медицинскаядиагностика,дистанционноезондированиеЗемли,микробиологические исследования.

К преимуществам оптических методовизмерения относят бесконтактность, монолитность конструкции измерительнойсистемы, отсутствие подвижных частей системы, возможность дистанционныхизмерений.Одной из проблем, возникающих при применении оптических методов дляизмерения геометрии объектов, является ограниченная разрешающая способностьоптическихсистем,проявляющаясяввидедифракционногоразмытияизображений. Дифракционное размытие является неотъемлемым свойствомтрадиционных оптических систем и характеризуется снижением амплитудночастотной характеристики изображений в области высоких частот, достигаяполного затухания пространственно-частотного спектра изображения свышенекоторойпредельной(дляданнойсистемы)частоты.Следствиемдифракционного размытия является необратимая потеря высокочастотнойинформации о наблюдаемом объекте, что проявляется в виде сглаживаниянаблюдаемых малоразмерных деталей границ объектов, вплоть до неразрешимоститаких деталей границ на изображении.На сегодняшний день данная проблема наиболее актуальная для техприложенийизмерительныхсистем,гдетребуетсябольшоеувеличениеизображения: микробиологические исследования, измерение микродеформацийматериаловиконструкций,производствомикроэлектронныхизделий,идентификация и измерение параметров космических объектов.