Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор существующих подходов к оценке чувствительности и разрешающей способности телевизионных датчиков 10
1.1 Методы и критерии оценки чувствительности 10
1.2 Расчетные модели для оценки чувствительности 12
1.3 Постановка задач исследования 18
2 Совершенствование методов оценки чувствительности телевизионных датчиков на ПЗС 22
2.1 Уточнение расчета освещенности изображения 22
2.2 Моделирование процесса образования зарядов на элементе ПЗС 25
2.3 Модель определения пороговой освещённости изображения 30
2.4 Основные результаты главы 32
3 Получение аналитических моделей для оценки чувствительности датчиков на ПЗС 34
3.1 Аппроксимация функции распределения яркости в кружке рассеяния, создаваемого безаберрационным объективом 34
3.2 Аппроксимации усредненных кривых спектральных чувствительностей глаза 40
3.3 Основные результаты главы 44
4 Разработка программного обеспечения для измерения характеристик телевизионных датчиков 45
4.1 Модуль для измерения разрешающей способности системы 46
4.2 Модуль для измерения распределения энергии 56
4.3 Модуль для измерения характеристик шумов ТВ-датчиков 61
4.4 Модуль для измерения координатных искажений 66
4.5 Основные результаты главы 70
5 Экспериментальные исследования характеристик телевизионных датчиков на ПЗС-матрицах 72
5.1 Результаты испытаний экспериментального макета активно-импульсной телевизионной системы 72
5.2 Оценка разрешающей способности экспериментального макета активно-импульсной телевизионной системы 74
5.3 Оценка разрешающей способности в цифровой фото- и видеорегистрирующей аппаратуре 83
5.4 Основные результаты главы 88
Заключение 89
Список литературы
- Расчетные модели для оценки чувствительности
- Моделирование процесса образования зарядов на элементе ПЗС
- Аппроксимации усредненных кривых спектральных чувствительностей глаза
- Модуль для измерения распределения энергии
Введение к работе
Актуальность работы
Одной из современных тенденций в телевидении является его срастание с
компьютерной техникой. Оно проявилось в рождении твердотельного
телевидения как «связки» приборов с зарядовой связью (ПЗС) и
микропроцессоров. Изобретение многоэлементных твердотельных
фотоприёмников вызвало революцию в телевидении. Использование десятилетиями отлаженной технологии производства полупроводниковых приборов обеспечило высокую надёжность, стабильность параметров и низкую цену светочувствительных матриц.
В результате совершенствования технологии матричных ПЗС они применяются в самых разнообразных приложениях – от простых задач наблюдения в стационарных условиях нормального освещения, типичного для офисных систем безопасности, до астрономических наблюдений при большом времени накопления, обеспечиваемого глубоким охлаждением матриц ПЗС. Важным направлением работ в области создания телекамер на матричных ПЗС является обеспечение наблюдений при малых контрастах изображения, например, под водой или при большой динамике сюжета.
С рождения твердотельного телевидения, при разработке фотоприёмных
матриц и телекамер на их основе, идёт борьба с помехами, а также за
повышение чувствительности матриц и чёткости изображения. Опубликовано
много работ по структуре, параметрам и возможностям телекамер.
В.К. Зворыкин описал с позиций зонной теории полупроводников выбор
материалов передающих телевизионных трубок, в частности по параметрам
красной границы фотоэффекта, и подчёркивал важность учёта конечных
значений разрешающей способности зрения по полю кадра и по времени.
Исследованиям чувствительности и разрешающей способности посвящены
работы таких специалистов как В.В. Березин, Р.Е. Быков, Ф. Ван де Виле,
А.А. Гоголь, В.П. Дворкович, П. Йесперс, С.И. Катаев, М.Г. Князев,
А.А. Манцветов, Ф.П. Пресс, Я.А. Рыфтин, В.Ф. Самойлов, М. Уайт,
Н.Е. Уваров, А.А. Умбиталиев, П.В. Шмаков, А.К. Цыцулин, Ю.Г. Якушенков.
Однако ряд важных вопросов в обозначенном выше направлении остаётся нерассмотренным. Во многих работах чувствительность рассматривается в основном качественно, отсутствуют строгие определения и выводы соответствующих выражений, нет примеров расчета для конкретных матричных ПЗС и телевизионных камер на их основе. В частности, в измерительном телевидении требуется оценивать чувствительность при малых расстояниях от объектива до объекта и заданных уровнях фона и цветовой температуры, необходимо разработать инструментальные средства, не имеющие жестких требований к поступающему входному сигналу, но обладающие приемлемой точностью измерений. Выполнение этих работ актуально для развития телевидения.
Цель работы – совершенствование методов оценки чувствительности и разрешающей способности телевизионных датчиков на ПЗС-матрицах. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ
существующих определений чувствительности датчика на ПЗС-матрице; уточнить выражения для определения интегральной, спектральной, пороговой и контрастной чувствительностей; разработать программные модули для измерения разрешающей способности системы, распределения энергии, характеристик шумов телевизионных датчиков и координатных искажений, выполнить экспериментальные исследования. Научная новизна
-
Получены формулы для расчёта освещённости изображения и числа сигнальных электронов в потенциальной яме, использующие определение телесного угла и формулу зависимости телесного угла от плоского.
-
Предложена модель определения пороговой освещённости изображения, использующая зависимость среднего квадратического отклонения шумовых электронов на уровне сигнала от уровня фона и учитывающая шумы источника светового сигнала.
-
Получена формула для определения коэффициента оптической передачи по яркости, учитывающего потери при согласовании ЭОП и телевизионного датчика, использующая определение телесного угла и формулу зависимости телесного угла от плоского.
-
Предложены аппроксимации гауссоидами усредненных кривых видности дневного и ночного зрения, полученные из условия равенства площадей под аппроксимируемой кривой и гауссоидой.
Теоретическая значимость
1. Полученные формулы для расчёта освещённости изображения и числа
сигнальных электронов в потенциальной яме пикселя позволяют расширить
границы применения оценки интегральной и спектральной чувствительностей.
2. Установлена связь пороговой освещённости изображения с уровнем
фона и шумами источника светового сигнала.
3. Получены аналитические модели для аппроксимации кривых видности
дневного и ночного зрения.
Практическая значимость
1. Использование полученных формул для расчёта освещённости
изображения, числа сигнальных электронов в потенциальной яме пикселя,
коэффициента оптической передачи по яркости и предложенной модели для
определения пороговой освещённости изображения уменьшает погрешность
оценки чувствительности при решении задач измерительного телевидения.
-
Предложенные аппроксимации гауссоидами усредненных кривых видности дневного и ночного зрения позволяют упростить и ускорить оценки пороговой чувствительности.
-
Разработанные программные модули для измерения разрешающей способности, распределения энергии, характеристик шумов и координатных искажений телевизионных датчиков позволили усовершенствовать учебный процесс.
Использование результатов исследований
1. «Исследование и разработка научных основ построения и создания
информационных телевизионно-вычислительных систем контроля и
наблюдения», грант РФФИ 06-07-96901, 2006 г.
2 «Развитие методов кратно масштабной обработки изображений в ТАС при определении пространственных координат объектов», грант РФФИ 07-08-00154, 2007 г.
3. «Исследование процессов формирования и контроля изображений
радужной оболочки и конъюнктивы глаз и разработка на их основе
телевизионных средств диагностики и идентификации», грант РФФИ 11-07-
98012, 2012 г.
4. «Исследование и разработка методов и средств повышения качества
изображений в активно-импульсных телевизионно-вычислительных системах
при пониженной прозрачности среды распространения излучения и наличии
оптических помех» (код проекта 769), в рамках базовой части государственного
задания Минобрнауки России 2014/225.
Структура и объём диссертации. В состав диссертации входят введение, 5 глав, заключение, список литературы из 61 наим., приложение из 6 c. Объём диссертации с приложением – 104 с., в т.ч. 46 рис. и 6 табл.
Личный вклад состоит в постановке задач исследования, планировании и проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных данных, формулировании выводов, подаче заявок на получение свидетельств о регистрации программы для ЭВМ, подготовке к публикации докладов и статей. Все результаты получены автором лично или совместно с соавторами при его непосредственном участии.
Методология и методы исследования. В работе применены методы экспериментальной физики, цифровой обработки изображений, математической статистики, оптики и геометрии.
Положения, выносимые на защиту
1. Использование зависимости телесного угла от плоского в формулах для
расчёта освещённости изображения и числа сигнальных электронов в
потенциальной яме пикселя позволяет уменьшить погрешность оценки
чувствительности: на 17,2% по сравнению с наиболее точными из известных
формул при радиусе входного зрачка объектива равном расстоянию от
объектива до объекта.
2. Предложенная модель определения пороговой освещённости
изображения позволяет более точно оценить пороговую чувствительность: при
уровнях фона 40 и 80 электронов пороговая освещённость увеличивается в 2 и 3
раза по сравнению с зависимостями при уровне фона равном 0.
3. Предложенные аппроксимации гауссоидами усредненных кривых
видности дневного и ночного зрения обеспечивают относительную
погрешность менее 1,3% при расчете освещённости оптического изображения.
Достоверность результатов подтверждена построением формул и
зависимостей на известных законах оптики и геометрии, методах цифровой
обработки изображений, согласованностью с опубликованными
экспериментальными данными, сравнением с результатами, полученными с помощью проверенного программного обеспечения, а также использованием результатов на практике.
Апробация результатов
Результаты исследований автора позволили подготовить заявки и победить в конкурсах: грант РФФИ 11-07-98012, базовая часть государственного задания Минобрнауки России 2014/225.
Результаты исследований доложены и обсуждены на 3 всероссийских и 9
международных конференциях, симпозиумах, школах и семинарах:
Международной конференции «Телевидение: передача и обработка
изображений», 2009, 2011, 2012, 2014 гг. (г. Санкт-Петербург); Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации», 2008, 2010 гг. (г. Курск); Международной научно-практической конференции, «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», 2006, 2007 и 2009 гг. (г. Томск); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР», 2006, 2007 и 2010 гг. (г. Томск).
Публикации. По результатам исследований, представленных в
диссертации, опубликовано 25 работ (6 работ без соавторов): 7 статей в журналах из перечня ВАК, 4 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ, 14 докладов в отечественных конференциях.
Краткое содержание работы. Во введении представлена краткая
характеристика работы. В гл. 1 выполнен обзор актуальных задач. В гл. 2
представлены исследования по совершенствованию методов оценки
чувствительности телевизионных датчиков на ПЗС. В гл. 3 представлены
разработанные аналитические модели для оценки чувствительности
телевизионных датчиков на ПЗС. В гл. 4 описано разработанное программное обеспечение для измерения характеристик телевизионных датчиков. В гл. 5 приведены результаты экспериментальных исследований характеристик телевизионных датчиков на ПЗС. Далее приведён список литературы. В приложении представлены копии документов (свидетельств о регистрации программ для ЭВМ, актов использования результатов работы).
Расчетные модели для оценки чувствительности
Для оценки чувствительности ТВ камеры необходимо знать чувствительность твердотельного фотоэлектрического преобразователя (ФЭП). Несмотря на различие подходов, большинство авторов выделяют именно чувствительность как одну из основных характеристик ТВ камеры.
Чувствительность обычно определяют как значение освещенности на объекте в люксах, обеспечивающее заданные параметры качества выходного видеосигнала. При этом должна быть указана цветовая температура источника света - температура нити накаливания в градусах Кельвина, например, наиболее типичные источники света типа "А" с цветовой температурой Т = 2854 К или же галогеновая лампа с Т=3200К. Однако характеристика спектральной чувствительности матричного ПЗС существенно отличается от кривой видности зрительного анализатора.
Спектральная характеристика ПЗС простирается в инфракрасную область спектра вплоть до длины волны 1,1 мкм. В результате ТВ камера преобразует в видеосигнал световой поток с длинами волн не только в видимой области, но и в инфракрасной. Это позволяет обеспечить наблюдение в условиях наличия излучения в ближней инфракрасной зоне, когда глаз человека уже ничего не видит. Используя этот факт, недобросовестные рекламодатели указывают значение пороговой чувствительности, близкое или равное нулю люкс. При переходе от освещения лампой накаливания к естественному освещению, заявленное значение пороговой чувствительности в люксах увеличивается, т.е. чувствительность ухудшается в несколько раз за счет отсутствия инфракрасного излучения. Чтобы этого не происходило, измерения чувствительности следует проводить при установке перед объективом светофильтра, отсекающего инфракрасную область спектра [1,2]. Также при измерении чувствительности необходимо указывать, какое отношение сигнал-шум принимается за заданный параметр качества выходного видеосигнала. Например, раньше под минимальной освещенностью понималась такая, при которой сохраняется полная разрешающая способность камеры, то есть отношение сигнал-шум должно составлять примерно 34-36 дБ. В настоящее время минимальная освещенность трактуется как освещенность, при которой можно различить только крупные детали изображения, что соответствует отношению сигнал-шум 20–24 дБ. В космической и военной технике часто под пороговой чувствительностью понимается освещенность, при которой амплитуда полезного сигнала равна размаху шумовой дорожки, то есть отношение сигнал-шум составляет 6 раз (15,5 дБ). В связи с этим значения чувствительности также могут отличаться в 5–10 раз [1,3]. Помимо этого, не строго определено само понятие отношения сигнал-шум. Так, обычно под отношением сигнал-шум понимают отношение сигнала в белом к шуму на черном. Однако в ПЗС шумы не являются аддитивными, и к собственным шумам на белом добавляется фотонный шум [1].
Иногда для уточнения понятия минимальной освещенности используют так называемую «шкалу IRE». В этой шкале максимальный полезный видеосигнал 0,7 В принимается за 100 единиц IRE. Полный видеосигнал с амплитудой 1 В содержит 0,3 В синхросигнала и 0,7 В сигнала изображения. Различные производители указывают чувствительность ТВ камер для разных значений по шкале IRE от 20 до 50. При таком снижении амплитуды видеосигнала качество изображения снижается до приемлемого.
Чувствительность телевизионной камеры также зависит от крутизны ее свет-сигнальной характеристики, представляющей собой зависимость видеосигнала от освещенности сцены – чем больше крутизна, тем больше чувствительность при выбранном пороге. В связи с неоднозначностью выбора порогового уровня производители в качестве параметра, характеризующего чувствительность, часто используют другие показатели.
Для вещательного стандарта разложения таким параметром может быть напряжение видеосигнала при заданном уровне освещенности, типе источника света, светосиле объектива и уровне шума. Другим параметром является выходное напряжение, нормированное на экспозицию (В/лкс). Размерность этой характеристики отражает взаимозависимость освещенности и времени накопления. Выходной сигнал определяется общим числом фотонов, накопленных в элементах ПЗС [4].
На значение чувствительности влияет также время накопления. Обычно в документации чувствительность указывается для максимального времени накопления. Однако во многих ТВ камерах время экспозиции изменяется от номинального значения 20 мс как в сторону уменьшения до десятков микросекунд, так и в сторону увеличения до десятков и сотен секунд.
Чувствительность обычно указывают для максимальной четкости. Вместе с тем, заявленная четкость проверяется при большой освещенности и большом отношении сигнал-шум. При уменьшении освещенности всегда имеет место снижение четкости. Поэтому при оценке чувствительности следует учитывать и этот фактор [2].
Интегральной чувствительностью ФЭП называют отношение выходного видеосигнала к освещенности на светочувствительной поверхности или на объекте при заданных условиях - времени накопления, цветовой температуре источника освещения и т.п. Обратимся к понятию освещённости на светочувствительной поверхности. При использовании телевизионных средств в системах наблюдения, контроля и слежения за объектами источником излучения является сам объект или его поверхность, облучаемая посторонним источником. Часть потока излучения объекта попадает через объектив на светочувствительный слой ПЗС и создает на нем оптическое изображение объекта, которое преобразуется в сигнальные электроны. Расчету освещенности изображения объекта посвящено большое количество работ [5-17]. Исходными данными для расчета обычно являются:
Моделирование процесса образования зарядов на элементе ПЗС
Цель диссертационной работы – совершенствование методов оценки чувствительности и разрешающей способности телевизионных датчиков на ПЗС-матрицах.
Для достижения поставленной цели необходимо: усовершенствовать математические модели для оценки интегральной, спектральной и пороговой чувствительности датчиков; разработать программные модули для измерения разрешающей способности системы, спектрального распределения энергии, определения шумовых характеристик телевизионных датчиков; для этого целесообразно: 1. Получить формулу для расчета освещенности изображения от освещённости объекта при соизмеримых расстояниях от объектива до объекта. 2. Получить зависимость числа сигнальных электронов в потенциальной яме пикселя от длины волны и цветовой температуры источника излучения при соизмеримости расстояний от объектива до объекта и объектива до изображения. 3. Уточнить зависимость среднеквадратического отклонения шумовых электронов на уровне сигнала от уровня фона. 4. Уточнить формулу для определения коэффициента оптической передачи по яркости, учитывающего потери при согласовании ЭОП и телевизионного датчика. 5. Аппроксимировать функцию рассеяния кружка безаберрационного объектива для упрощения расчётов контраста и контрастности. 6. Аппроксимировать кривую спектральной чувствительности глаза для упрощения расчётов пороговой чувствительности. 7. Разработать программные модули для измерения разрешающей способности системы, спектрального распределения энергии, определения шумовых характеристик телевизионных датчиков.
В данном разделе приводится вывод формул для зависимости освещенности оптического изображения от освещённости объекта [25, 26].
Для уточнения расчетов интегральной чувствительности уточним выражение для определения освещенности на светочувствительной поверхности или на объекте при заданных условиях: времени накопления, цветовой температуре источника освещения и т.п. Основное отличие имеющихся зависимостей освещённости изображения от освещённости или яркости объекта связано с определением телесного угла . Элементарный световой поток, излучаемый или отражаемый перпендикулярной к оптической оси площадкой dSоб и захватываемый объективом, определяется выражением [9] dФоб = LобdSоб, (2.1) здесь Lоб – яркость площадки, – телесный угол, под которым из центра площадки dSоб «виден» входной зрачок объектива.
Световой поток, прошедший сквозь объектив и попадающий на светочувствительный слой передающей трубки или её твердотельного аналога определяется выражением
Это условие можно считать допустимым лишь при расстояниях от объектива до объекта много большем, чем от объектива до изображения D«a.
Если в системах вещательного телевидения условие D «а практически всегда выполняется, то в системах прикладного (в том числе измерительного) телевидения это условие выполняется далеко не всегда, и значения D и a часто соизмеримы.
В работе [17] предложен способ расчёта световой освещённости изображения в телевизионном датчике на ПЗС-матрице в зависимости от освещённости объекта наблюдения, использующий уточнённую зависимость телесного угла от плоского: приведены на рисунке 2.1, из которого видно, на сколько они отличаются. Например, при d = 1 погрешности определения освещённостей по приближенным формулам (2.11) и (2.12) по сравнению с полученной формулой (2.13) составляют соответственно +170 % и -17,2%.
В данном разделе приводится вывод формул для определения числа сигнальных электронов [26, 27].
Если подставить в (1.3) (1.4) и Е (Х) = ЕХмакс —ДХ(?цГ)тЕ(}фоб( ), то V получим «с = СЛАакАмакс 4 {Л V Ан (Г)!, (Г)Роб (k)dk (2.14) Эту формулу можно считать наиболее точной из существующих. При практических расчетах иногда можно полагать, что тЕ(Х) и роб(А,) не слабо зависят от X, тогда (2.14) можно записать в виде «с = нак эл млРоАмакс A\ (KT)S отн (X)dX. (2Л5) Относительная погрешность определения значения пс по формуле, имеющейся в работе [15], в которой используется взаимосвязь между Е\(Х) и ЕХ(Х) по соотношению (1.1), а не по выражению (2.13), определяется выражением
Представляет интерес приведенная в работе [14] упрощенная формула для определения среднего числа сигнальных электронов п , которую с учетом наших если считать величины тЕ, роб постоянными, а вместо X принять Хс . При сложных условиях наблюдения цветовая температура источника излучения имеет важное значение, поэтому, считая величины тЕ, роб независимыми от X и подставив в выражение (1.7) формулы , (2.17), (2.18) и (2.19) получим
В разделе 2.1 приведены результаты исследований по уточнению зависимости освещённости оптического изображения от освещённости объекта (сцены). Уточнение связано с более строгим определением телесного угла с учетом специфики прикладного, в том числе измерительного, телевидения. Формула освещённости оптического изображения позволяет более точно оценивать интегральную чувствительность телевизионных датчиков на ПЗС-матрицах. Например, при d = l,Q погрешности определения освещённостей по приближенным формулам (2.11) и (2.12) по сравнению с полученной формулой (2.13) составляют соответственно +170 % и -17,2%.
В разделе 2.2 уточнена зависимость числа сигнальных электронов в потенциальной яме пикселя от длины волны и цветовой температуры источника излучения, что позволяет более точно оценить спектральную чувствительность телевизионных датчиков на ПЗС-матрицах. Кроме того, уточнена формула для определения коэффициента оптической передачи по яркости, учитывающего потери при согласовании ЭОП и телевизионного датчика, которую также можно использовать при расчете числа сигнальных электронов при использовании ЭОП.
В разделе 2.3 уточнена зависимость среднеквадратического отклонения шумовых электронов на уровне сигнала от уровня фона, которая позволяет более точно оценить пороговую освещённость, а следовательно и пороговую чувствительность. Например, при сф =1, nф=40 электронов и nф=80 электронов по формуле (2.22) пороговая освещённость увеличивается по сравнению со случаем, когда nф=0, в 2 и 3 раза, что следует учитывать при соответствующих расчётах.
Аппроксимации усредненных кривых спектральных чувствительностей глаза
На получаемом изображении средствами программного модуля отображаются красным цветом линии центровки изображения. Для корректного проведения измерений центр таблицы следует совместить с пересечением линий как можно точнее (рисунок 4.15). При этом следует перемещать таблицу либо изменять положение телевизионного датчика.
Поле «Порог обнаружения объекта по амплитуде (0–255)» задаёт амплитудный порог (то есть по величине яркости) обнаружения тестового объекта для измерения его координат. Диапазон возможных значений 0 – 255.
Кнопка «Провести измерения» открывает окно с результатами измерений, представленными в числовом виде. Значения минимума, максимума и медианы рассчитываются на основе значений яркости элементов (пикселей) изображения, полученного в результате усреднения по заданному числу используемых для проведения измерения кадров.
Значения координат белых круглых тестовых объектов и центра изображения, а также масштаб оптического увеличения рассчитываются по усреднённому изображению. Описание элементов окна с результатами измерений Основную часть окна занимает список с перечнем полученных результатов (рисунок 4.16). При отображении координат центров тестовых объектов приводятся истинные значения (X, Y), которые известны заранее (исходя из заданной), благодаря автору таблицы, и смещения координат (dX, dY), полученные на основе проведённых измерений. Все значения координат и их смещений отображаются в миллиметрах.
В нижней части окна продублировано поле «Число кадров», отображающее заданное число кадров, используемых для усреднения. Кнопка «Сохранить» сохраняет изображение окна программы в файл с именем, указанным в поле «Имя файла», и автоматически добавляемым к имени файловым расширением «.txt».
Если имя не указано, то при нажатии на кнопку изображение сохраняется в файл с именем «tvg_mod4_coordinats.txt».
Если указать только имя, то файл с изображением окна записывается в папку с файлом tvg_mod4.exe. При необходимости записи файла в другое место следует указывать ещё и путь. Например, D:\images\experiment_04 – в этом случае файл с именем experiment_04.txt появится в папке images диска D. Порядок работы 1. Прежде всего, следует подключить устройство видеоввода к компьютеру, если устройство является внешним (например, подключаемым по шине USB). 2. К устройству видеоввода следует подключить устройство, представляющее собой источник видеоданных, т.е. снабжённое телевизионным датчиком. Если устройство видеоввода имеет несколько разъемов и есть затруднения в выборе нужного, то, как правило, источник видеоданных следует подсоединять к разъему жёлтого цвета. 3. Включить питание источника видеоданных. 4. В окне программы tvg_mod1 (окно имеет заголовок «Разрешающая способность») нажать кнопку «Обновить список». 5. В списке «Устройство видеоввода» выбрать нужное устройство. 6. Задать число кадров для усреднения в соответствующем поле. 7. Нажать кнопку «Предпросмотр». 8. Поместить перед телевизионным датчиком соответствующую испытательную таблицу таким образом, чтобы границы таблицы совпадали с границами изображения, а пересечение красных линий как можно точнее совпадало с центром таблицы. 9. Нажать кнопку «Провести измерения». 10. В появившемся окне «Результаты измерений» при необходимости указать имя файла и нажать кнопку «Сохранить». 11. При необходимости повторить изменения, закрыть окно с полученными результатами, если необходимо изменить заданные параметры, и снова нажать кнопку «Провести измерения». 12. По окончании работы закрыть окно с результатами измерений и главное окно модуля. Определение координат тестового объекта
Сначала получаем изображение, усреднённое по заданному числу кадров. Затем по полученному изображению находим минимальное, максимальное и медианное значения яркости. Из полученного изображения вычитаем медианное значение для обнуления фоновой составляющей. В процессе вычитания сравниваем разность с заданным порогом и, если разность меньше порога, считаем, что текущий элемент изображения не принадлежит ни одному из тестовых объектов и приравниваем его значение яркости нулю.
Так как координаты центров тестовых объектов для приведённой испытательной таблицы известны, а также известны размеры тестовых объектов, то определяем координаты центров тестовых объектов в соответствующих областях изображения, находя энергетические центры этих областей. В аналитической форме записи алгоритм поиска энергетического центра выглядит следующим образом: здесь i – номер элемента в выбранной области изображения, Ai – значение яркости i-го элемента.
В результате получаем номер элемента, соответствующего энергетическому центру выбранной области изображения. В идеале им является центральный элемент области. Поэтому, вычитая полученный номер из «идеального» номера, находим смещение.
Описаны программные модули для измерения разрешающей способности системы, спектрального распределения энергии, определения шумовых характеристик телевизионных датчиков. Разработанные инструментальные средства не имеют жестких требований к поступающему входному сигналу по освещенности и другим характеристикам, но, тем не менее, для измерений с требуемой точностью вполне пригодны, что было подтверждено экспериментально с помощью пакета Imatest.
Созданные модули могут быть использованы для исследования специализированных телевизионно-вычислительных систем, предназначенных для работы в экстремальных условиях (повышенный уровень радиации, пониженная видимость, оптические неоднородности в атмосфере), а также для мониторинга труднодоступных конструкций, объектов и сооружений.
Разработанные модули могут быть использованы не только в научных целях для разработки и исследования алгоритмов коррекции, но и в конечных продуктах для аппаратно-программной реализации адаптивных корректирующих фильтров (например, автоматическая регулировка размеров и формы апертуры фильтра для выделения «полезных» и удаления «паразитных» объектов нужного размера и формы).
Модуль для измерения распределения энергии
После изготовления и настройки отдельных блоков собран экспериментальный макет активно-импульсной телевизионной системы (АИТВС). Далее установлены паспортные значения напряжений на электродах ЭОП и осуществлена фокусировка изображения снимаемого с экрана ЭОП на мишень ПЗС-камеры путем перемещения ПЗС-камеры с промежуточным объективом относительно экрана ЭОП. Следующим этапом в непрерывном режиме работы макета осуществлена фокусировка входного объектива и получено изображение испытательной таблицы ИТ–72 на экране монитора. Изображение таблицы, снятой с экрана монитора цифровым фотоаппаратом, приведено на рисунке 5.1.
После этого макет АИТВС был переведен в импульсный режим, и проведена проверка правильности его функционирования в импульсном режиме. В частности, были выставлены необходимые временные соотношения между импульсами подсвета и стробирующими импульсами, подаваемыми на фотокатод ЭОП.
Экспериментально установлено, что суммарная задержка между импульсом подсвета на выходе блока управления и световым импульсом, формируемым источником подсвета равна 100 нс. Поэтому в блоке управления поставлена управляемая схема электронной задержки импульса подсвета, позволяющая корректировать положение по времени светового импульса и импульса строба на фотокатоде ЭОП. Осциллограммы импульса подсвета на выходе блока управления (первый) и импульса строба на фотокатоде ЭОП (второй) при установленной дальности 0 метров 5.2 Оценка разрешающей способности экспериментального макета активно-импульсной телевизионной системы
Измерение разрешения и контрастно-частотных характеристик активно-импульсной телевизионной системы выполнено с использованием персонального компьютера оборудованного платой ввода видеоданных без сжатия в формате 4:2:2 и программой анализа изображений ImaTest v.3.1. В качестве телевизионной испытательной таблицы использована таблица, разработанная в соответствии с ISO 12233. Измерение разрешающей способности произведено в соответствии с методиками, рекомендованными к программному обеспечению.
Изображение на рисунке 5.3 соответствует видеопоследовательности № 1, снятой в непрерывном режиме, с отключенным подсветом, закрытой диафрагмой, с использованием нейтрального фильтра №10, с освещенностью в плоскости таблицы 2000 лк ± 5%.
Изображение на рисунке 5.4 соответствует видеопоследовательности №2, снятой в импульсном режиме, с отключенным подсветом, с закрытой диафрагмой, с освещенностью в плоскости таблицы 2000 лк ± 5%, в режиме накопления (2 деления - 20 импульсов за время одного поля с длительностью 0,1 мкс).
Изображение на рисунке 5.5 соответствует видеопоследовательности № 3, снятой в непрерывном режиме, с отключенным подсветом, закрытой диафрагмой, с использованием нейтрального фильтра №10, с освещенностью в плоскости таблицы 2000 лк ± 5%, с отключенной цепью ВЧ коррекции в корректирующем усилителе-распределителе.
Измерения контрастно-частотных характеристик (КЧХ, англ. MTF) по уровню 50% в горизонтальном и вертикальном направления выполнены в центре и углах (левый нижний и правый верхний) изображения, в том числе в телевизионных линиях (ТВЛ). В таблице 5.1 приведены результаты измерений, соответствующие видеопоследовательности № 1.
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы: 1. Разрешающая способность по горизонтали макета АИТВС, работающего в непрерывном режиме, равна 279 ТВЛ при коэффициенте модуляции, равном 50%. При работе в импульсном режиме разрешающая способность по горизонтали снизилась до 250 ТВЛ.
КЧХ в центре изображения для горизонтального направления (видеопоследовательность № 3) 2. Введение высокочастотной коррекции в корректирующем усилителе – распределителе позволило повысить разрешающую способность по горизонтали макета АИТВС с 249 до 279 ТВЛ (т.е. более чем на 10 %).
Также были проведены измерения разрешающей способности системы с помощью разработанных на кафедре программных модулей. Измерения проводились по телевизионной испытательной таблице ИТ–72 (рисунок 5.12) на группе черно-белых объектов для измерения разрешения в 75–150 ТВЛ и на центральном клине по уровням 250, 300, 400 и 500 ТВЛ, соответственно. Полученные осциллограммы сигнала, используемые для измерения разрешающей способности (по коэффициенту модуляции), представлены соответственно на рисунках 5.13 и 5.14. График зависимости коэффициента модуляции от числа ТВЛ Полученные данные соответствуют результатам измерений, проведённых с помощью программы ImaТest, и, таким образом, подтверждают их, а имеющиеся расхождения (в данном случае полученные результаты несколько хуже) могут быть обусловлены более низким качеством оцифровки входного сигнала устройством видеоввода и более низким качеством испытательной таблицы (ИТ-72).
Оценка разрешающей способности в цифровой фото- и видеорегистрирующей аппаратуре Проведены измерения контрастно-частотной характеристик (КЧХ) фотоаппарата Olympus E-PL1. Измерения проведены по изображениям различного разрешения, полученным с видеовыходов фотоаппарата.