Диссертация (1143951), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Следует отметить, чтодаже в идеальных оптических системах (без собственных аберраций) возможнопроявление аберрации расфокусировки изображения, если расстояние от объектадо зрачка оптической системы не фиксировано.Для устранения аберраций на этапе проектирования оптических системрассчитываютмногоэлементныеоптическиесхемы,атакжеприменяютасферические поверхности. Для устранения фактических аберраций в процессесчитывания изображения применяются оптические элементы с изменяемойформой поверхности – т.н. элементы адаптивной оптики (зеркального илилинзового типов), однако эта технология является достаточно сложной и широкогораспространения не имеет.В отличие от дифракционного размытия, аберрации как правило не приводятк полному затуханию участков пространственно-частотного спектра изображения.Это обуславливает теоретическую возможность восстановления неискаженногоизображенияпозарегистрированномусигналу.Однако,вследствиедифракционного ограничения полосы частот и наличия шума, данная задачаявляется некорректной в математическом смысле [89-91].В связи с этим, перспективным представляется интеграция модели аберрацийв алгоритм оценивания границ объектов.
При этом влияние аберраций должно бытьучтено совместно с дифракционными эффектами. Априорная информация оналичии ступенчатой границы при таком подходе представляет собой способнеявнойрегуляризациирешенияизображения границы объекта.длявосстановлениядетализированного59Пространственная дискретизация изображений1.3.3.Пространственная дискретизация изображений возникает в процессепреобразования непрерывного изображения в дискретный сигнал и можетприводить к неопределенности положения или формы границы (рисунок 1.11).Δ/Δmax=0.4Δ/Δmax=1.6Δ/Δmax=4Δ/Δmax=8Рисунок 1.11 Влияние дискретизации на изображение границы объекта приразличной величине шага дискретизации ΔДля того, чтобы минимизировать потери, связанные с пространственнойдискретизацией, очевидно, следует минимизировать шаг дискретизации. С другойстороны,ограниченностьчастотногоспектраизображениявследствиедифракционного размытия позволяет определить максимальную величину шагадискретизации изображения (расстояния между элементами растра ФП), прикотором оно может быть восстановлено точно по теореме Котельникова:∆max=λ/(2K),(1.9)где λ – длина волны, K – относительное отверстие оптической системы.Наиболее «светосильные» коммерчески-доступные объективы широкогоприменения имеют значения относительного отверстия K=1/1.4.
При такомзначении K, предельный шаг дискретизации в зеленой области спектра (λ=555 нм)составляет ∆max=0.4 мкм. Наименьший шаг между элементами растра современныхКМОП ФП составляет приблизительно 1.1 мкм, что соответствует выполнениюусловиятеоремуКотельникова-Найквистадляотносительногоотверстиявеличиной 1/4.
Таким образом, существует широкий диапазон сочетанийпараметров оптико-электронных систем, при которых часть информации об60изображении теряется на этапе дискретизации, что следует учитывать приразработке метода измерения границ объектов.Влияние дискретизации усиливается в мультиспектральных измерительныхсистемах,регистрирующимэлементомкоторыхявляетсяматричныйфотоприемник с массивом светофильтров (например, типа Байера). Как былопоказано в разделе 1.1, в таком случае частота дискретизации в отдельныхспектральныхканалахниже,чемчастотадискретизациианалогичныхпанхроматических фотоприемников.В условиях фиксированного шага дискретизации, определяемого выбраннымфотоприемником, для снижения потерь информации может быть увеличенавеличина ∆max путем увеличения фокусного расстояния оптической системы илиуменьшением диаметра зрачка.
Уменьшение диаметра зрачка приведет к большемудифракционному ограничению полосы частот и часть информации об объектебудет утеряна. Увеличение фокусного расстояния приведет к увеличению размераизображения и применяется в областях, где потери информации, связанные сдискретизацией крайне нежелательны (микроскопия высокого разрешения иоптического сверхразрешения, астрономия, метрология). Увеличение фокусногорасстояния приводит к увеличению размера изображения, что при фиксированнойсветочувствительной площади фотоприемника сокращает поле зрения системы.Для считывания больших изображений может быть применено механическоесканирование изображения или проекция на массив фотоприемников.Проблема потери информации в связи с пониженной частотой дискретизацииимеет тесную связь с дифракционным ограничением частотного спектраизображений: при недостаточно высокой частоте дискретизации часть информациио геометрической конфигурации объекта полностью теряется вследствиеналожения спектров.
Однако, учитывая априорную информацию о наличииступенчатого перепада яркости в окрестности границы, представляется возможнымчастично восстановить геометрическую конфигурацию объекта путем решенияобратной задачи, как и в случае с компенсацией дифракционного размытия.61Неравномерность яркости объекта или фона1.3.4.Известные методы оценивания границ строятся таким образом, чтобыизменение яркости объекта или фона не влияло на значение оценки положенияграницы. Но, как следует из описания рассмотренных методов, при этомпредполагается что яркость является постоянной величиной в пределаханализируемого окна изображения. Однако в реальных условиях, яркость объектаи фона может изменяться, что в предположении о постоянстве яркости приведет ксмещениюоценкиграницы.Факторы,которыемогутприводитькнеравномерности яркости, зависят от способа формирования изображения:• при формировании изображения в отраженном свете:o неравномерная освещенность объекта и/или фона;o неравномерность характеристик рассеяния света объектом и/илифоном (наличие текстуры);• при формировании изображения по собственному излучению:o неравномерность температуры объекта и/или фона;o неравномерность характеристик излучательной способности объектаи/или фона;o неравномерное покрытие люминесцентными красителями объекта;• при фоновом освещении:o отражение источника освещения от закруглений краев объекта;o неравномерность яркости источника освещения (фона);• для всех способов формирования изображения:o виньетирование оптической системы;o диафрагмирование света посторонними объектами на пути отисточника к объективу и далее – от объектива к фотоприемнику.В том случае, если яркость изображения зависит от положения на полезрения, говорят о виньетировании изображения оптической системой.
Как правилояркость снижается в направлении от центра к периферии изображения. Такойэффектвозникаетвследствиенеидеальностиоптическойсхемыи62диафрагмирования части лучей на краю поля зрения. Аналогичный эффект можетвозникать и в том случае, если между плоскостями предмета и входного зрачкасистемы размещается посторонний объект (при его сильной расфокусировке). Втом случае, если характеристики виньетирования постоянны, неравномерностьяркости может быть скорректирована путем калибровки.В отличие от виньетирования, неравномерность яркости, обусловленнаясвойствами объекта (наличие текстуры, неравномерность температуры илихарактеристик излучательной способности), в общем случае не поддаетсякоррекции. Однако в том случае, если пространственно-частотные характеристикиизображений фона и объекта отличаются друг от друга, например, вследствиеразличия в их свойствах или разной величины расфокусировки, эти различия могутбыть потенциально использованы для формирования более точной оценки границыобъекта.1.4.
Выводы по главе 11. Показано, что проблема построения систем измерения геометрии объектов, вчастности, их границ, должна решаться комплексно, т.е. как на уровнеаппаратуры формирования и считывания изображений, так и на уровнеобработки сигнала. Установлено, что при определенном выборе параметровоптической системы и фотоприемника можно исключить потери информации,связанные с пространственной дискретизацией изображения, сформулированосоответствующее соотношение между шагом растра и относительнымотверстием оптической системы.2. Установлено, что формирование дифракционно-ограниченных изображенийсопряжено с возрастанием объемов передаваемой и обрабатываемой в узлахизмерительной системы информации. Показано, что современные средстварегистрации изображений позволяет настраивать соотношение между объемомпространственнойивременнойинформацииобизображениипутемвыборочного считывания растрового поля фотоприемников, в частности:ограничениемразмерасчитываемойобласти,снижениемчастоты63пространственнойдискретизации,переменнойпополючастотойдискретизации.3.
В результате анализа известных алгоритмов оценивания границ объектоввыявлено, что в условиях выраженного размытия изображений к числудостаточно изученных следует отнести алгоритмы оценки положения иориентации протяженных прямых участков границ объектов, в том числе ссубпиксельной точностью.
Задача оценки малоразмерных деталей границ ирезких изгибов изучена в меньшей степени (под малоразмерными понимаютсядетали границ, чьи линейные размеры на изображении сравнимы с размерамипятна размытия оптической системы).4. Показано, что дифракционное размытие изображения, совместно с аберрациямиоптической системы и пространственной дискретизацией сигнала приводит ксглаживаниюформыгеометрическихстановятсяконтурапараметров.неразрешимыми,объекта,Группызатрудняямалоразмерныхзатрудняяопределениедеталейидентификациюегограницыобъекта.Дляповышения точности оценки границ следует использовать априорнуюинформацию о наличии ступенчатого перепада яркости на границе объекта ифона.5.
Неравномерная яркость объекта или фона приводит к смещению оценкиположения элементов границы известными методами. Наличие априорнойинформацииопространственно-частотныххарактеристикахяркостипотенциально позволяет снизить влияние неравномерности и повыситьточность локализации элементов границы.64ГЛАВА 2. Двумерный аппроксимационный метод оценивания границобъектовДанная глава посвящена теоретическому обоснованию метода оцениванияграниц, предложенного и разработанного автором в процессе работы наддиссертационным исследованием.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
