Короленкo П.В. Оптика когерентного излучения (1095919), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Такие преобразования, являющиеся инструментом визуальногоанализа изображений профессиональным пользователем-экспертом в конкретнойобласти применения данной визуальной информации, и называются препарированиемизображения. Существенная особенность препарирования изображения - диалоговыйрежим обработки под управлением и наблюдением пользователя, неформализованныйопыт и знания которого как бы включаются при этом в систему обработки.Характерной особенностью препарирования изображения является также то, что вработу пользователю-эксперту предлагается для сравнительного анализа не самоисходное (скорректированное) изображение, а варианты в виде цветных,стереоскопических, подвижных (анимационные) изображений объекта исследования порезультатам выявления существенных признаков.Кодирование изображений.
Это вид обработки, при котором осуществляетсяпреобразование оптических сигналов и изображений в форму, удобную для передачипо каналам связи и архивного хранения. Важной составной частью кодированияявляется, в частности, сжатие данных, т.е. кодирование, снижающее требования кпропускной способности каналов связи и емкости запоминающих устройств.Измерение изображений полей. Под этой задачей подразумевается обработкаоптических сигналов, в результате которой получаются количественные данные,предназначенные для принятия решений и управления автоматическимиисполнительными механизмами.Последний тип обработки оптических полей является необходимым атрибутомразличных автоматизированных измерительных систем. Ниже в качестве примерарассматривается одна из таких систем, программное обеспечение которой былоразработано на кафедре оптики и спектроскопии физического факультета МГУ с цельюобработки изображений лазерных пучков со сложной пространственной структурой.4.6.2.
Автоматизированная измерительная система для диагностикиструктуры лазерных пучковВ автоматизированной измерительной системе (АИС) можно выделить две основныечасти: устройство ввода изображения (УВИ) и персональный компьютер (ПК),снабженный соответствующим программным обеспечением. УВИ регистрирует втелевизионном стандарте распределение интенсивности светового пучка и послеоцифровки видеосигналов вводит информацию о структуре поля в память ПК. Качествои особенности структуры изображения можно оценивать либо визуально, наблюдая егона мониторе компьютера, либо путем расчета по определенным программам рядахарактеристик, о которых будет сказано ниже.Важнейшим элементом УВИ является камера с матричным фотоприемником.Фотоприемник представляет собой матрицу полупроводниковых элементов,работающих на принципе зарядовой связи (ПЗС-матрица).
Снимаемое с каждогоэлемента напряжение линейно зависит от его освещенности, то есть от интенсивностисоответствующего участка падающего излучения.При "считывании" напряжения с каждого элемента матрицы на выходе приемникаформируется последовательность электрических сигналов, в которой закодированораспределение интенсивности. Для оцифровки сигналов от камеры в данной системеприменяется компьютерная плата "Видеопорт-2", позволяющая фиксировать процессыдлительностью приближенно 20 мс. Время ввода оцифрованного сигнала в компьютерзависит только от быстродействия последнего. Программа ввода и первичнойобработки изображений с применением платы "Видеопорт-2" работает подуправлением операционной системы MS-DOS и позволяет вводить и сохранять надиске компьютера черно-белые изображения размером до 512 512 точек с цветовымразрешением до 64 градаций яркости.Рис.
4.6.1 Схема регистрации излучения ПЗС-матрицей.Матрица имеет форму прямоугольника с длиной диагонали 8.8 мм и несет 704Ѕ560элементов. Столь плотное расположение элементов матрицы и их малые размерыобеспечивают очень высокую разрешающую способность - 50 линий на миллиметр.Это означает, что матрица может различать две линии в структуре изображения,расположенные на расстоянии 20 мкм друг от друга. Укажем для сравнения, чтосредняя толщина человеческого волоса - 50 мкм.ПЗС-матрица выполнена на полупроводниковой подложке n-типа нанесениемметаллических электродов с изоляцией от полупроводника тонким слоем диэлектрика.Принцип работы ПЗС-матрицы демонстрирует рис. 4.6.1. Если на электрод подаетсяотрицательное напряжение, то на поверхности полупроводника формируетсяобедненный слой, в котором нет свободных зарядов, способных перемещаться.Фактически обедненный слой представляет собой потенциальную яму, в которой могутнакапливаться неосновные носители заряда из числа носителей, возникающих поддействием света.Передача заряда осущестляется под действием приложенного к управляющимконтактам напряжения трехфазного сигнала.
Сначала, как показано на рис. 4.6.1,а,накапливаются дырки в потенциальной яме, созданной высоким отрицательнымнапряжением, приложенным к контакту 1.Рис. 4.6.2 Блок-схема устройства для обработки видеосигнала. 1- АЦП; 2- буфер; 3- генератор; 4схема управления и адресации; 5,6- шина данных и адресная шина компьютера.Если теперь приложить высокое отрицательное напряжение к контакту 2, топотенциальная яма углубится в сторону этого контакта, и туда же переместятся дырки(рис. 4.6.1,б). Сразу же конфигурацию потенциальных ям приводят к виду,показанному на рис. 4.6.1,в.
Затем следует новый цикл. При повторении циклов зарядпоследовательно перемещается и воспринимается как изменяющийся во временисигнал, несущий информацию об интенсивности и пространственном распределенииизлучения.Помимо ПЗС-матрицы в УВИ входит еще несколько электронных узлов системы"Видеопорт-2", обеспечивающих в определенном режиме считывание и оцифровкувидеосигналов и их ввод в память компьютера. Эти узлы и их функциональные связи вупрощенном виде изображены на рис. 4.6.2.
Сигналы с камеры попадают в 6-разрядныйаналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 1, что позволяет получать до 64 градацийяркости. Оцифрованные данные накапливаются в буфере 2. В нем каждой точкеизображения соответствует одна ячейка, а каждой строке изображения - строкаматрицы.
Такое построение упрощает схему управления, так как переключениеосуществляется по строчным синхроимпульсам (ССИ). По кадровым синхроимпульсам(КСИ) происходит опознание начала кадра.Генератор формирует сигналы оцифровки для АЦП, сигналы записи-чтения для блокапамяти, импульсы переключения для устройства адресации.Схема адресации и управления опознает начало кадра, начало строки и,соответственно, управляет работой генератора и буфера.Устройство работает в двух режимах: режим записи сигнала в буфер и режим передачисодержимого в компьютер.При помощи компьютера можно управлять такими параметрами изображения, какконтрастность и яркость, изменяя опорное напряжение на АЦП и постояннуюсоставляющую сигнала соответственно.Полученная информация о видеосигнале хранится и обрабатывается в виде массива сразмерностью, зависящей от выбранного формата ввода (количества точек повертикали и по горизонтали), элементами которого являются целые числа от 0 до 255.Меньшие значения соответствуют темным, а большие- светлым областям изображения.Автоматизированная измерительная система имеет развитое программное обеспечение(ПО).
Пользователю предлагается обширное меню, включающее проведение целогоряда операций над структурой оптического изображения и вычислений егохарактеристик. Все управление работой УВИ и ходом операций осуществляется склавиатуры ПК или манипулятором "мышь". Все предлагаемые процедуры обработкиизображений можно разбить на две группы. К первой относятся операции измененияяркости и контрастности изображений, а также проведение бинаризации и просмотротдельных структурных фрагментов. Чаще всего указанные операции осуществляютсяна предварительной стадии обработки оптических полей. Ко второй группе относятсяоперации, обеспечивающие определение характеристик оптических полей.
С ихпомощью определяются следующие характеристики.1. Статистика точек введенного изображения по их интенсивности.2. Распределение интенсивности по сечению пучка, профили пучка, поперечныеразмеры пучка.3. Среднее значение интенсивности <I> по заранее заданной площади на приемнойапертуре оптической системы.4.
Относительная дисперсия флуктуаций интенсивности, (4.6.1)где- распределение интенсивности в сечении светового пучка вдекартовых координатах.5. Координаты центра тяжести пучка:(4.6.2)где x1, y1, x2, y2 - координаты границы рабочего поля обработки.Двумерный коэффициент автокорреляции интенсивности:, (4.5.3)где, x,y;- координаты в поперечном сечении;и тот же коэффициент в одномерном выражении:, (4.6.4)Физический смысл функции R(r) - степень зависимости значения в двух точках,разделенных расстоянием r. Значение функции нормировано, то есть, еемаксимум равен единице.
Максимум этот достигается в точке r=0 (поопределению), а также на таких значениях r, на которых поле не изменяется.Когда значение R убывает до величины, близкой к нулю, это означает, что натаких расстояниях значения поля не коррелируют, то есть, успевают изменитьсядостаточно сильно.6. Радиус зоны корреляции интенсивности rкор - значение аргумента rкор, прикотором rкор 1/2.7. Пространственные Фурье-спектры распределения интенсивности и характерныепространственные частоты по горизонтали fг и по вертикали fв. Процедурарасчета пространственных Фурье-спектров распределения интенсивностиосновывается на типовом дискретном преобразовании Фурье. Спектры могутхарактеризовать распределение интенсивности в любом заранее заданном сканесечения лазерного пучка, кроме того, может быть рассчитан усредненный посистеме сканов фурье-спектр.
По виду рассчитанных спектров можно определитьхарактерные пространственные частоты по горизонтали fг и по вертикали fв.8. Количество и площадь выбросов интенсивности - таких участковобрабатываемого светового поля, интенсивность которых превосходит заранеезадаваемый уровень.9.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
