Диссертация (Измерение границ объектов по оптическим изображениям в условиях дифракционного размытия), страница 3

Прикладноепрограммноеобеспечениеобработкиданныхвысокотемпературного дилатометра ДОВ-1 (ВНИИМ им. Д. И. Менделеева),позволяющее измерять величину температурного удлинения образцовтвердых материалов по оптическим изображениям краев исследуемыхобразцов.Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационнойработы докладывались на следующих конференциях: 10-й, 12-й, 13-й 15-йМеждународной конференции «Телевидение: передача и обработка изображений»(г.

Санкт-Петербург, 2013, 2015, 2016 и 2018), 5-й Всероссийской и стран КООМЕТконференциипопроблемамтермометрии«Температура-2015»(г. Санкт-Петербург, 2015), международной конференции «IEEE Russia Section YoungResearchers in Electrical and Electronic Engineering Conference ElConRus» (г. СанктПетербург, 2016 и 2017), 20-й и 21-й Международной конференции по мягкимвычислениям и измерениям (г. Санкт-Петербург, 2017 и 2018), международномсимпозиуме «SPIE Optical Metrology» (г. Мюнхен, 2017), 25-й Международной13конференции «IEEE International Conference on Image Processing (ICIP)» (г. Афины,2018).Реализация и внедрение результатов.

Разработанные алгоритмы длявыделении границ объектов на изображениях при обработке последовательностивидеокадров, в частности, алгоритм с регуляризацией оптимизационной задачи наоснове гипотезы плавного контура объекта, а также компьютерные программы длярегистрациииобработкивидеопоследовательностейиспользованыприпроведении в 2018 г. научно-исследовательской работы «Разработка передовыхтехнологий бесконтактного контроля объектов на основе регистрации и обработкипоследовательности видеокадров» (тема 17613 по государственному заданию №8.2501.2017/ПЧ от 31.05.2017 г.), выполняемой федеральным государственнымавтономным образовательным учреждением высшего образования «СанктПетербургский национальный исследовательский университет информационныхтехнологий, механики и оптики» (Университет ИТМО).Разработанное программное обеспечение применяется во всероссийскомнаучно-исследовательском институте метрологии им.

Д. И. Менделеева (ВНИИМ)в лаборатории 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 вдиапазоне температур 1000..3000К. Дилатометр ДОВ-1 включен в составгосударственного первичного эталона единицы температурного коэффициенталинейного расширения в 2014 г., разработанное программное обеспечениевнедрено в процессе модернизации дилатометра 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 сБронштейном И. Г. Постановка задачи измерения параметров температурногорасширениявыполненасовместносд.т.н.КомпанТ. А.Исходныеэкспериментальные данные высокотемпературного дилатометра ДОВ-1, а также14стенд для калибровки импульсного отклика оптической системы дилатометраподготовлены совместно с сотрудниками ВНИИМ Кондратьевым С.

В., ПуховымН. Ф., Кореневым А. С.Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из которых4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК (изкоторых 2 статьи в переводном журнале с индексацией в Scopus), 1 статья внаучном журнале Scopus/WoS, 1 патент на изобретение, тезисы и статьи всборниках 11 докладов международных и всероссийских конференций (из которых1 статья на двух языках).Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырехглав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 205 страницпечатного текста, 58 рисунков, 5 таблиц, список используемой литературы из 125источников.15ГЛАВА 1. Современное состояния проблемы измерения границ объектовпо их оптическим изображениямМатериал данной главы базируется на аналитическом обзоре литературы посовременному состоянию проблемы измерения границ объектов по оптическимизображениям.

При обзоре и анализе наибольшее внимание уделяется вопросамформирования, считывания и обработки изображений в условиях дифракционногоразмытия. Глава содержит три основных раздела: аппаратные средства системформирования изображений, методы и алгоритмы оценки границ объектов пооптическим изображениям, факторы ограничения точности измерений известнымиметодами и алгоритмами. В тексте главы приведены также ссылки и краткиеописанияработ,выполненныхприучастииавтораипозволяющихохарактеризовать современное состояние проблем формирования и считыванияизображений в условиях дифракционного размытия.1.1.

Аппаратное обеспечение оптико-электронных измерительных систем1.1.1.Способы формирования изображений границ объектовВ зависимости от типа объекта измерения, условий проведения измерения иэксплуатации системы, применяются следующие конфигурации оптическихизмерительных систем, различающихся способом формирования изображения(рисунок 1.1):1.

Изображение формируется собственным излучением измеряемого объекта;2. Изображение формируется рассеянным или отраженным излучениемисточника освещения;3. Изображениеформируетсяфоновымисточникомизлучения блокируется объектом измерения.Рассмотрим эти конфигурации более подробно.освещения,часть16Источники освещенияТВ камераОбъект измеренияа)б)в)Рисунок 1.1 Типовые схемы формирования изображения объектов: пособственному излучению (а), в отраженном свете (б), с фоновым освещением (в)Собственное излучение позволяет строить изображение объекта путемизмерения испускаемого с его поверхности потока фотонов.

Собственноеизлучение существует у любого материального объекта с ненулевой абсолютнойтемпературой – т.н. тепловое излучение. Спектральный состав и интенсивностьизлучения определяются значительной степени температурой объекта, а также (вменьшей степени) – свойствами атомарной и молекулярной структуры вещества [14]. Интенсивное излучение в оптическом диапазоне длин волн свойственнообъектам с температурой 700⁰C и выше, что позволяет регистрироватьизображениятакихобъектовсерийновыпускаемымикремниевымифотоприемниками, чувствительными к оптическому диапазону длин волн. Приэтом в литературе встречается экспериментальное подтверждение возможностирегистрации кремниевыми фотоприемниками изображений нагретых объектоввплоть до температур 250⁰C-260⁰C [5].

При меньших температурах изображениямогутбытьсформированыприиспользованииспециализированныхфотоприемников (ФП), чувствительных к инфракрасной области спектра с длинойволны свыше 1.2 мкм.Собственное излучение объектов может быть получено также с помощьюэффекта люминесценции.

Некоторые вещества способны в определенномдиапазоне длин волн излучать энергию, большую чем соответствующая этомудиапазону длин волн энергия теплового излучения. В этом случае говорят олюминесценции вещества. Люминесценция возникает вследствие испускания17фотонов атомами или молекулами вещества после поглощения ими энергиивозбуждения [6, 7]. Соответствующие возбужденные состояния могут бытьполучены поглощением фотонов видимого или ультрафиолетового диапазонов(фотолюминесценция),действиемионизирующегоизлучения(радиолюминесценция), вследствие химических реакций (хемилюминесценция),пропусканиемэлектронамиэлектрическоготока(катодолюминесценция).(электролюминесценция),Изперечисленных,облучениемвмировойисследовательской практике наиболее распространено применение эффектафотолюминесценции путем окрашивания фотолюминесцентными красителяминелюминесцентных объектов, например, клеток живых организмов.

При этомприменение специальных технологий освещения совместно с флуоресцентнымметодом формирования изображения позволяет преодолеть предел разрешающейспособности оптической системы [8]. Данные технологии более подробнорассмотрены в разделе 1.3.1.При формировании изображения в отраженном свете требуется наличиевнешнего по отношению к измеряемому объекту источника освещения.Распределение яркости на изображении определяется свойствами отражающейповерхности объекта и источника освещения.

Различают зеркальное и диффузноеотражение. Для проведения геометрических измерений существенным являетсястабильность распределения яркости поверхности в зависимости от взаимногорасположения объекта и источника излучения. Данное свойство обеспечиваетсяпри условно-идеальном диффузном отражении поверхностей, описываемымзаконом Ламберта [9]. В реальности поверхности объектов, особенно металлов,проявляют свойства зеркального отражения, что, с учетом влияния шероховатостиповерхности приводит к существенной зависимости изображения от положенияисточника и ограничивает возможности применения рассматриваемого типаконфигураций оптических систем для измерительных задач при предъявлениитребования высокой точности геометрических измерений (рисунок 1.2).18а)б)в)Рисунок 1.2 Микрофотография металлического листа с отверстием в отраженномсвете при различных положениях источника (а, б), изображение того же объекта сфоновым освещением (в)Преимуществомпримененияконфигурациитехнологийданноготипаявляетсяпространственно-модулированноговозможностьосвещениядляизвлечения информации об объекте, потерянной вследствие дифракционногоразмытия – т.н.

технологии оптического сверхразрешения (более подробно данныетехнологии рассмотрены в разделе 1.3.1). Кроме того, пространственномодулированное освещение может быть использовано для восстановлениятрехмерной структуры объекта по серии изображений с модулированнымосвещением [10-12].Фоновое освещение объекта измерения. Проблемой перечисленных вышеконфигураций является зависимость изображения от оптических свойствповерхности объекта, что затрудняет проведение точных измерений границобъекта по изображениям.

Данного недостатка лишена конфигурация, при которойисточник освещения располагается за измеряемым объектом, а изображениеформируется блокированием части излучения самим объектом. При такойконфигурации параметры изображения (контраст, спектральные характеристики,распределение яркости изображения в окрестности границ объекта) определяютсяпреимущественно источником освещения, а не поверхностью объекта. Напрактике, некоторая часть лучей, испускаемых источником освещения, можетотражаться от закруглений границ, создавая более сложную яркостную картину вокрестности границы.

Для компенсации этих эффектов применяются оптическиесистемы освещения с телецентрическим ходом лучей [13] (рисунок 1.3).Оптические системы с телецентрическим ходом лучей также применяются для19формирования изображений с постоянным по глубине масштабом, т.е. независящим от расстояния до объекта.а)б)Рисунок 1.3 Примеры изображений с фоновым освещением: рассеянного типа (а),телецентрического типа (б) (источник: [14])Средства считывания изображений1.1.2.Формированиесигналовизображенийосуществляетсяпомощьюэлектронных датчиков, преобразующих энергию света в электрический сигнал.Первые электронные датчики изображения были основаны на электронновакуумнойтехнологии–иконоскопы,впоследствиизамещенныеболеесовременными аналогами – видиконами [15, 16].