Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 66
Текст из файла (страница 66)
Фильтрация сигналов в оптико-злектроннык приборах В некоторых оптико-электронных системах технического зрения используется разновидность медианного фильтра — осредняющий уравновешенный фильтр «двойное окно». Он может рассматриваться как некое среднее между двумя «крайностями» вЂ” усредняющим и медианным фильтрами. Для выделения краев изображения(оконтуривания) он по качеству и скорости обработки сигнала является одним из лучших.
Фильтр использует как малое, так и большое окна, центрированные на текущем пикселе. Пусть Г(х, у) — уровень серого на пикселе с координатами (х, у), т. е. Г(х, у) — сглаженное, усредненное значение «веса» пикселя. Обработка сигнала рассматриваемым фильтром образует следующий алгоритм: 1) определение медианного значения пт(х, у) в малом окне (2)тГт+1, 21тГт+1) пикселей с центром на (х, у); 2) установка ряда интенсивности (тя(х, у) — д, лт(х, у) + т)), где д— выбираемый (настроечный) параметр; 3) вычисление среднего из сигналов всех пикселей, лежащих внутРи этого РЯда интенсивности в пРеделах большого окна (21ктв+1, 2)тГв+1) пикселей с центром на (х, у), включая пиксели меньшего окна; это значение передается на выходной (центральный) пиксель.
Логика работы фильтра чрезвычайно проста: медианный оператор используется для нахождения среднего уровня (серого) сигналов соседних пикселей, а затем отсчеты с пикселей с одинаковым уровнем серого (как у центрального пикселя) осредняются, чтобы дать относительно сглаженный выход. Внутреннее окно сохраняется малым для того, чтобы сохранить достоверные контуры и края, т.е. ослабить смаз изображения в результате действия медианного сглаживания. Так как медианный фильтр используется на первом этапе обработки сигнала, такой фильтр эффективно сохраняет края (перепады) и одновременно подавляет импульсы.
При выборе параметра т1 («ранговый» параметр) следует учитывать среднее квадратическое значение шума о. Фильтр приближается либо к медианному, при о -» О, либо к усредняющему, при т) -» то. Если предположить, что шум гауссов, то выбор 7 от 2о до Зо эквивалентен подключению от 95,5% до 99,7% пикселей из совокупности, центрированной на медиане. 11.8.
Пространственная фильтрация в когерентных оптических системах В последние годы пространственная фильтрация широко и эф- фективно применяется в оптических системах, работающих с коге- 341 ЮГ. Якушенков. Теория и расчет оптико-злекгроннык приборов рентным излучением, — в когерентных оптических системах. В этих системах используется замечательное свойство некоторых когерентных систем — возможность сравнительно простыми средствами осуществить преобразование Фурье оптического сигнала (изображения), т.е.
перейти к его представлению в виде спектра пространственных частот. Одной из наиболее простых и известных схем для получения пространственно-частотного спектра изображения, представленного в виде некоторого транспаранта с переменной прозрачностью, является схема, показанная на рис. 11.13. Если транспарант Т, освещаемый монохроматическим когерентным излучением — плоской волной, поместить в передней фокальной плоскости Р1 объектива О, то в задней фокальной плоскости Р2 этого объектива распределение амплитуд колебания с точностью до постоянного множителя будет соответствовать преобразованию Фурье функции, описывающей амплитуду поля на выходе транспаранта 121). Рис.11.13.
Схема реализации преобразования Фурье при плоском фронте волны Особенностями такой схемы преобразования Фурье являются: 1) инвариантность протяженности спектра (Фурье-образа) к поперечному смещению и поворотам транспаранта„2) удаление от оси системы отдельных гармоник (световых пятен в плоскости Р2) по мере роста их порядка; 3) поворот спектра в плоскости Р2 при повороте транспаранта вокруг оптической оси в плоскости Р1. Преобразование Фурье в когерентной оптической системе можно осуществить при освещении транспаранта с записью преобразуемого сигнала не только плоской волной, но и сферической. Известно [21], что если транспарант с записью сигнала /з(х) поместить в плоскость Р1 между линзой Л (объективом) и плоскостью Р2 изображения точечного источника а, создающего сферическую волну (рис.
11.14, а), то в этой плоскости также образуется спектр функции /,(х). т.е. Р(со,). При изменении расстояния г(р изменяется масштаб пространственных частот в плоскости Р2. Транспарант желательно располагать ближе к объективу. 342 Глава 11. Фильтрация сигналов в опгико-злекгроннык прибарак рис.
11,14, Схема реализации преобрааования Фурье пРи сфеРическом фРонте волны: а — транспарант за линзой; б — транспарант перед линзой Возможна также схема с использованием сферической волны, когда транспарант с записью сигнала /,(х) располагается перед линзой (рис. 11.14, б). И в атом случае в плоскости Р2 изображения точечного источника з, получают спектр сигнала.
Масштаб спектра пространственных частот в плоскости Р2 можно изменять, перемещая плоскость Р1 сигнала так, чтобы В,ч- Вр оставалось постоянным. Рассмотренные схемы отличаются от схемы, в которой используется плоская волна (см. рис. 11. 13), тем, что для них в выражение выходного сигнала в плоскости Р2, помимо спектра /,(х/, входит дополнительный фазовый множитель. Для схемы, показанной на рис. 11.14, б, при расположении Р1 в передней фокальной плоскости линзы Л, т.е.
при В,=/ ',, дополнительный фазовый множитель равен нулю, а масштаб пространственных частот в плоскости Р2 определяется как го,= 2пх/Х/'„. При Вс= О и В,= В' - 2/', масштаб изображения источника равен 1; 1, а масштаб частот го„= пх/Ц "„. То же самое имеет место для схемы, представленной на рис. 11.14, а, при В' = д . В большинстве практических систем когерентных Фурье-преобразователей спектр пространственных частот фиксируется приемниками (глазом, фотопленкой, фотоприемником и т.д.), реагирующими на среднюю интенсивность излучения, которая пропорциональна интегралу от квадрата амплитуды Р(а„). Поэтому, если за время наблюдения или регистрации сигнал /1(х) по амплитуде не меняется, то в плоскости Р2 регистрируется величина, зависящая только от квадрата модуля, но не от фазы функции Р(в„).
В этом случае плоскость входного сигнала Р1 можно располагать на произвольном расстоянии от линзы, но при этом меняется масштаб спектра. Если сравнить рис. 11.13 и 11.14, то можно заключить, что при использовании сферической волны проще менять масштаб по осям пространственных частот. Однако при этом расстояния дз и В, могут б«Тг ) лг(гг) 347 346 ЮГ. Якугленков.
Теория и расчет оптико-электронных приборов Рис. 11. 1б. Схема спектральной (по длинам волн Л) фильтрации в когсрснтиой оптической системе Многоцветное когерентное излучение подсвечивает транспарант Т с цветовым изображением и амплитудным пропусканием 1(х, у). Непосредственно за транспарантом расположена дифракционная решет- ка Р, штрихи которой ориентированы вдоль оси у, а амплитудное пропускание описывается функцией т(х, у) =1+ соз о»ох, где ото — пространственная частота решетки в угловой мере.
Для каких-либо двух длин волн Л, и Л амплитуду поля за решеткой можно представить как Т'(х у)т(х у) =(Т'(х.у.Л )+6(х.у.Л )]т(х у). В задней фоквльной плоскости Фурье-объектива О распределение амплитуд, т. е. пространственно-частотный спектр, с точностью до постоянного множителя описывается функцией вида Р(Ф«,юы,Л)=Р(от„,гоюЛ,)+Р (от„,го„,Л )+ — Рт(гох ь тот,го„)+ 1" Л, 2 2п + — Р(го — — — йа,а )+ — Р ~го + — — йот,го + о ы) 2 г~ 2 о ы1 г "г 2 где Р,( ) — преобразование Фурье функции Тг( ); от„и Фы — координаты в задней фокальной плоскости объектива.
Отсюда следует, что спектры Ри разнесены вдоль оси от„на ахо 1'Л/ 2тс Подбирая гоо и устанавливая согласованные Фильтры-диафрагмы в задней фокальной плоскости, можно выделить спектры Р,. с требуемой Глава 11. Фильтрация сигналов в оптико-электронных приборах длиной волны Лч, а применяя затем еще одно преобразование Фурье— восстановить изображение Цх, у, Л,) в каком-либо одном цвете или по- лучить его автокорреляционную функцию для заданной длины волны ), 11.9. Фильтрация сигналов в электронном тракте Рассмотрим некоторые методы повышения помехоустойчивости ОЭП, реализуемые в его электронном тракте. К этим методам в первую очередь относятся: предотвращение перегрузки приемника излучения и электронных звеньев; компенсация помех; частотная селекция; амплитудная селекция; временная селекция (селекция импульсных сигналов); метод накопления.
Учитывая, что вопросам реализации методов повышения помехозащищенности ОЭП посвящена обширная литература, остановимся кратко лишь на возможностях и особенностях их применения в этих приборах. Предотвращение перегрузки. Под действием мощных излучений фоточувствительные слои приемников излучения могут заметно потерять свою чувствительность и даже разрушиться. Это особенно присуще фотоэмиссионным приемникам, например фотоэлектронным умножителям (ФЭУ). Кроме того, при больших уровнях сигнала электронные усилители могут войти в нелинейный режим усиления, что приводит к искажению формы сигнала.
Для борьбы с этими перегрузками в ОЭП применяют различные заслонки и регулирующие диафрагмы с переменным отверстием, системы автоматической защиты, системы автоматического регулирования чувствительности (АРЧ) в цепи приемника и автоматического регулировании усиления (АРУ), логарифмические усилители и другие средства. Ввод заслонки или изменение отверстия диафрагмы, через которую поток излучения поступает на приемник, осуществляются по сигналу, снимаемому с выхода усилителя после достижения некоторого уровня и управляющему приводом заслонки или диафрагмы. Этот способ используется для устранения влияния мощных внешних излучаютцих помех в тех случаях, когда нарастание сигнала от них происходит сравнительно медленно (чтобы успел сработать привод) или когда в процессе сканирования поля обзора используется дополнительный датчик помехи, угловое поле которого «опережает» при сканировании поле основного ОЭП.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
