Разработка методики определения функции передачи модуляции телевизионных оптико-электронных систем с применением матричных приемников оптического излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Перезябов, Олег Аркадьевич

• Перезябов, Олег Аркадьевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Перезябов, Олег Аркадьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИИ ПЕРЕДАЧИ МОДУЛЯЦИИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

1.1 Метод определения функции передачи модуляции с использованием узкой линии и периодической решетки из узких штрихов

1.2 Метод определения разрешающей способности с использованием групп полос равной ширины и групп синусоид разной частоты

1.3 Метод определения двумерной функции передачи модуляции по случайной цели

1.4 Метод определения функции передачи модуляции, основанный на генерации лазерных спеклов

1.5 Метод определения функции передачи модуляции с использованием наклонного края

2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИИ ПЕРЕДАЧИ МОДУЛЯЦИИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СУММЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ

2.1 Описание метода и методики определения ФПМ

2.2 Компьютерное моделирование методики определения ФПМ

2.3 Проверка достоверности методики и нахождение погрешности измерений

2.4 Моделирование работы матричного приемника оптического излучения

2.4.1 Принцип работы матричного приемника оптического излучения

2.4.2 Алгоритм моделирования работы матричного приемника оптического излучения

2.4.3 Определение ФПМ с использованием суммы синусоид разной частоты (применение алгоритма моделирования работы матричного приемника)

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИИ ПЕРЕДАЧИ МОДУЛЯЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СУММЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ РАЗНОЙ ЧАСТОТЫ

3.1 Фурье образ суммы синусоид

3.2 Смещение максимальных значений пиков по частоте и амплитуде

3.3 Отклонение алгоритма быстрого преобразования Фурье

4 ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ФУНКЦИИ ПЕРЕДАЧИ МОДУЛЯЦИИ ПО ТЕСТ-ОБЪЕКТУ И ПРИ ПОМОЩИ РАЗРАБОТАННОЙ УСТАНОВКИ

4.1 Эксперимент по определению ФПМ оптико-электронных систем с использованием измерительного изображения, основанного на сумме синусоидальных компонент разной частоты

4.2 Принцип работы измерительной установки для определения ФПМ телевизионной оптико-электронной системы

4.3 Определение равномерности освещенности щелевого интегрирующего канала

4.4 Описание эксперимента по определению функции передачи модуляции оптико-электронной системы с использованием разработанной установки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

92

93

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики определения функции передачи модуляции телевизионных оптико-электронных систем с применением матричных приемников оптического излучения»

ВВЕДЕНИЕ

В связи с динамичным развитием высокотехнологичных производств все большее применение получают системы машинного зрения. Они дают робототехническим устройствам возможность визуализации, распознавания и контроля объектов. Вкупе с современными алгоритмами обработки и сегментации изображений это позволяет выводить подобные системы на качественно новый уровень самостоятельности принятия решения. Подобное развитие систем машинного зрения ведет к значительному удешевлению процессов производства. Также снижается или полностью исключается необходимость выполнения оператором рутинных действий.

Важной задачей является определение качества системы машинного зрения. Разрешающая способность телевизионной оптико-электронной системы является одним из основополагающих ее свойств, определяющим конечное качество изображения, полученного с его помощью.

Разрешение камеры обусловлено рядом факторов. Они включают, но не ограничиваются характеристиками объектива камеры, количеством активных фотоэлементов в оптическом устройстве формирования изображения и электрическими цепями камеры, которые могут включать в себя функции сжатия изображения и гамма-коррекции.

Разрешение ОС в идеале ограничено лишь дифракцией составляющих ее оптических элементов. Однако, в реальной жизни системы формирования изображения подвержены различного рода аберрационным искажениям. Воздействие аберраций влияет на изображение точки, формируемое объективом на оптической оси. При этом изображение точки будет представлять собой так называемый диск Эйри, распределение освещенности по сечению которого для ОС с одинаковым разрешением может варьироваться. Таким образом, можно сделать вывод, что разрешающая способность, выражаемая количеством линий, раздельно изображаемых системой на миллиметровом отрезке, не может быть использована в качестве характеристики для описания качества ОС и тем более ТОЭС.

Для получения большего количества информации о качестве изображения, формируемого ТОЭС, имеет смысл задаться характеристикой, показывающей зависимость контраста (или же модуляции), с которой ТОЭС может передавать детали захваченного ей изображения, от частоты. Такой характеристикой является функция передачи модуляции (ФПМ), которая представляет собой величину отклика оптической или оптико-электронной системы на объект, представленный в виде группы синусоид разных пространственных частот.

ФПМ, в качестве ключевой характеристики, определяющей качество изображения, формируемого ТОЭС, обладает рядом преимуществ:

- возможность получения прямой характеристики качества изображения, формируемого ТОЭС, в количественном выражении,

- возможность применения с широким диапазоном оптических и оптико-электронных устройств при практически полном отсутствии человеческого фактора,

- способность определения качества составных ТОЭС (ФПМ сложной системы определяется как произведение ФПМ ее компонентов).

Несмотря на наличие ряда методов, позволяющих с определенной долей точности измерить ФПМ оптико-электронной системы, представляется актуальной разработка метода, позволяющего проводить измерения на необходимых пространственных частотах с возможностью их оперативного внесения в измерительное изображение, обладающее небольшими размерами.

Указанные факторы подтверждают актуальность и важность темы диссертации.

Целью данной работы является разработка методики определения функции передачи модуляции телевизионных оптико-электронных систем с применением матричного приемника оптического излучения

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести сравнительный анализ изестных методов определения функции передачи модуляции оптических и телевизионных оптико-электронных систем.

2. На основе проведенного анализа разработать метод и методику определения функции передачи модуляции телевизионной оптико-электронной системы на базе матричного приемника оптического излучения

3. Провести математическое обоснование предложенных метода и методики

4. Выполнить компьютерное моделирование предложенных метода и методики

5. На основе разработанной модели спроектировать и реализовать макет установки для определения функции передачи модуляции оптико-электронной системы и провести эксперимент по определению ФПМ.

Научная новизна работы:

1. Предложен новая методика прямого и одновременного измерения значений ФПМ телевизионной оптико-электронной системы на основе матричного приемника оптического излучения с использованием тест-объекта, в котором функция распределения освещенности по строке представляет собой сумму вложенных синусоид разной частоты, определенных на конечном пространственном интервале, при этом данные о пространственно-частотном составе тест-объекта на входе системы не требуются.

2. Разработана математическая модель тест-объекта на основе суммы вложенных синусоид конечной длины, позволяющая определить зависимость координаты максимального значения Фурье-образа отдельной синусоиды от ее пространственной частоты, а также от постоянной составляющей тест-объекта и пространственно-частотного положения остальных синусоидальных компонентов тест-объекта.

3. Решена задача повышения точности измерения ФПМ телевизионной оптико-электронной системы на основе матричного приемника оптического излучения по штриховой мире за счет увеличения количества измеряемых

значений путем добавления в миру синусоидальных низкочастотных составляющих, что приводит к появлению в частотном спектре миры дополнительных пиков, содержащих информацию об ФПМ.

Практическая значимость результатов работы

Результаты, полученные в настоящей работе, имеют практическую значимость, поскольку позволяют определить ФПМ телевизионных оптико-электронных систем на базе матричного приемника оптического излучения по полю кадра с возможностью внесения необходимых пространственных частот в тест-объект при отсутствии сведений о тест-объекте на входе системы.

Результаты диссертационной работы использовались в Университете ИТМО при выполнении научных проектов 340740, 215540, 360995 и при проведении работ по тестированию телевизионных модулей комплекса внутритрубной диагностики предприятия АО «Диаконт». Материалы диссертационной работы также использовались в курсе «Оптико-электронные системы аналитического приборостроения» в учебном процессе кафедры Систем и технологий техногенной безопасности Университета ИТМО.

Методология и методы исследования

Исследование проводилось с использованием теории геометрической и физической оптики, теории оптико-электронного приборостроения, современных методов и подходов математического и частотного анализа; теории и методов Фурье-анализа данных, современных алгоритмов обработки и сегментации сигналов и изображений. Экспериментальные исследования проведены при помощи компьютерного моделирования с использованием математического программного пакета Mathworks МЛТЬАВ и физического моделирования с использованием разработанного на кафедре систем и технологий техногенной безопасности макета.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанная методика определения ФПМ телевизионных оптико-электронных систем на базе матричного приемника оптического излучения по тест-объекту, основанному на функции вложенных синусоид разной частоты и

конечной длины, позволяет проводить одновременное и прямое измерение значений ФПМ на определенных пространственных частотах. Важной особенностью метода является возможность измерения ФПМ в случае отсутствия данных о пространственно-частотном составе тест-объекта на входе системы.

2. Повышена точность определения ФПМ путем вычисления смещения координаты максимального значения Фурье-образа отдельной синусоиды из состава тест-объекта в зависимости от ее пространственной частоты и воздействия интерференционного характера от постоянной составляющей и Фурье-образов остальных синусоидальных компонент тест-объекта с использованием предложенной математической модели.

3. Предложенная методика определения ФПМ телевизионной оптико-электронной системы на основе матричного приемника оптического излучения может быть реализован путем модернизации известного метода определения ФПМ по штриховой мире с использованием разработанной оптико-электронной экспериментальной установки, состоящей из светодиодного осветителя, одноканального и многоканального световых интеграторов, распределение освещенности в которой задается маской с профилем, соответствующим сумме синусоид разной частоты.

Во Введении обосновывается актуальность работы, формулируются цели, задачи, научная новизна, практическая значимость и основные результаты, выносимые на защиту. Осуществляется постановка направления исследования диссертационной работы.

В Главе 1 производится сравнительный анализ существующих методов определения ФПМ, подразделяемых по виду используемого тест-объекта, и делается вывод о необходимости разработки нового тест-объекта и методики с его использованием.

В Главе 2 предлагается тест-объект получаемый путем умножения функции, представляющей собой сумму вложенных синусоид разной частоты. Также описывается методика определения функции передачи модуляции с

использованием предложенного тест-объекта и проводится компьютерное моделирование метода.

В Главе 3 проводится математическое обоснование предложенной методики и доказываются предположения, выдвинутые во второй главе.

В Главе 4 приводится описание макета установки, позволяющей определить ФПМ телевизионной системы, его основных характеристик и результатов эксперимента, проведенного с его помощью.

В Заключении делаются выводы о проделанной работе и приводятся результаты проведенного исследования.

Степень достоверности полученных результатов подтверждается совпадением результатов теоретических расчетов с результатами компьютерного моделирования и физического эксперимента с использованием разработанного макета. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них 3 статьи в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК, 6 — в изданиях, включенных в систему цитирования Scopus.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 109 наименований, содержит 103 страницы основного текста, 83 рисунка.

Работа выполнена на кафедре «Системы и технологии техногенной безопасности» (базовая) Санкт-Петербургского национального

исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО) Министерства образования и науки Российской Федерации.

1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИИ ПЕРЕДАЧИ МОДУЛЯЦИИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

На данный момент существует некоторое количество методов, позволяющих с той или иной точностью определить разрешающую способность [1, 2]. Они могут быть подразделены на несколько групп по виду используемого тест-объекта [3-5]:

- метод определения функции передачи модуляции (ФПМ) с использованием узкой светящейся линии и периодической решетки из узких штрихов;

- метод определения ФПМ с использованием групп полос равной ширины и групп синусоид разной частоты;

- метод определения ФПМ по случайной цели;

- метод определения ФПМ, основанный на генерации лазерных спеклов;

- метод определения ФПМ с использованием наклонного края.

ФПМ представляет собой величину отклика ОС или ТОЭС на объект, представленный в виде группы синусоид, имеющих разные значения пространственной частоты [6].

1.1 Метод определения функции передачи модуляции с использованием узкой линии и периодической решетки из узких штрихов

Разрешающая способность оптико-электронной системы и описывающая его ФПМ тесно связано с понятием функции рассеяния точки (ФРТ), то есть откликом телевизионной оптико-электронной системы (ТОЭС) на точечный источник или предмет [7-9]. Точечный источник, спроецированный идеальным объективом в плоскость изображения, именуется диском Эйри и дает представление о качестве оптической системы [10-12]. Однако формирование точечного источника может вызвать определенные технологические трудности, поэтому используются другие виды измерительных изображений для определения разрешающей способности ТОЭС.

Одним из видов тест-объекта является светящаяся линия, имеющая малую ширину (обычно несколько микрон), которой в ходе измерений можно пренебречь, либо же внести поправку на ширину, если стоит задача высокоточного измерения ФПМ [13-15]. Откликом ТОЭС на изображение светящейся линии является функция рассеяния линии (ФРЛ), которая является, по сути, функцией распределения освещенности по строке изображения линии (Рисунок 1). График ФПМ находят как абсолютное значения дискретного преобразования Фурье ФРЛ:

ФПМ = |/(ФРЛ)| (1)

Для увеличения разрешения результирующего графика тест-объект может быть наклонен, и распределения освещенности по нескольким строкам приемника затем формируются в график ФРЛ с избыточной дискретизацией [16].

Координата, пиксель Пространственная частота, усл.ед.

Рисунок 1 — Определение ФПМ с использованием тест-объекта типа узкой линии а) тест-объект; б) тест-объект, преобразованный ТОЭС; в) ФРЛ; г) ФПМ

Тест-объект типа узкой линии обычно получают источником освещения необходимого спектрального состава, имеющего равномерный характер

распределения яркости по площади освещаемого предмета, и высококачественной щелевой диафрагмы с низким показателем отражения (Рисунок 2)

Рассеиватель ............

- ______________________,_1

Р Щелевая диафрагма Коллиматор Объектив Камера с

J микро-

объективом

LED осветитель

Рисунок 2 — Примерная схема установки для определения ФПМ ОС

Для определения ФПМ ОС Изображение проецируется коллиматором на тестируемый объектив, с которого затем может сниматься методом сканирования щелью, либо камерой с установленным микрообъективом.

Примером установки, использующей данный метод определения ФПМ может служить установка ImageMaster компании Trioptics. Установка позволяет оценить ФПМ и некоторые другие характеристики оптических систем в видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах (Рисунок 3). Основными компонентами системы являются:

- оптический стол с фиксатором исследуемой ОС;

- генератор тестовых объектов, состоящий из источника излучения набора щелей разного размера и набора светофильтров;

- коллиматор для формирования параллельного пучка лучей;

- модуль анализа изображения, состоящий из камеры с ПЗС-приемником излучения, микрообъектива и персонального компьютера с необходимым для работы программным обеспечением.

Рисунок 3 — Внешний вид установки ImageMaster

Данная система осуществляет измерение ФПМ с точностью ±2% в соответствии с ISO 9335.

Метод определения ФПМ с использованием ФРЛ является весьма точным и используется для тестирования систем видимого и ИК диапазона, а также для рентгеновских систем, однако установки, использующие данный метод для измерения ФПМ, являются на данный день весьма громоздкими и дорогостоящими, а применение данного метод при тестировании систем с матричными приемниками излучения может представлять некоторые сложности в юстировке.

Подвидом метода с использованием ФРЛ является метод, использующий тест-объект, представляющий собой решетку, состоящую из узких штрихов.

Суть метода состоит в том, что изображение группы полос, спроецированное объективом на приемник, в пространстве частот представляет собой группу гармоник, имеющих разное амплитудное значение в зависимости от частоты. Таким образом, имея информацию о значениях модуляции не составляет особой трудности построить график ФПМ исследуемой ОС или ТОЭС (Рисунок 4).

Рисунок 4— Профиль тест-объекта вида периодической решетки из узких

штрихов (а) и его Фурье-образ (б)

Метод измерения ФПМ ОС по тест-объекту вида периодической решетки из узких штрихов был предложен Берчем [17, 18], а затем усовершенствован и применен практически в ГОИ Н. П. Березиным в виде установки ЮС105, чей принцип работы лег в основу ОСТ 3-4046-78, разработанного в ГОИ [19]. Кардинальным отличием данной установки от приведенных выше является вид тест-объекта, который формируется освещаемым изнутри лампой цилиндром с прорезанными в нем узкими щелями (Рисунок 5). Данный цилиндр имеет возможность свободно вращаться вокруг своей оси.

Рисунок 5 — Установка для определения ФПМ ЮС105

В качестве приемника используется фотоэлектронный умножитель с подключенным к нему анализатором гармоник электрического сигнала. Принцип работы установки заключается в сканировании тест-объекта приемником с использованием щелевой диафрагмы и определением максимальных значений гармоник, входящих в Фурье-образ тест-объект. Для уточнения значений ФПМ вводится поправка на ширину анализирующей щели. Чтобы увеличить число частотных компонент Фурье-образа для более точного измерения ФПМ, может быть применен цилиндр с большим расстоянием между щелями, так как между данными параметрами наблюдается прямо пропорциональная зависимость.

С развитием матричных приемников излучения в целом снизилась необходимость во вращении тест-объекта, а также в сканировании плоскости изображения приемником с щелевой диафрагмой. Данный метод также применим для работы в инфракрасном и рентгеновском диапазоне [20-22]. Для формирования периодической решетчатой структуры также используют, например интерферометрические системы [23].

Однако, установка, позволяющая использовать данный метод обладает весьма крупными габаритами. Также существенным недостатком является необходимость поправки на ширину щели.

1.2 Метод определения разрешающей способности с использованием групп полос равной ширины и групп синусоид разной частоты

Одним из наиболее простых и давно используемых методов является визуальный метод определения разрешающей способности с использованием испытательных таблиц, содержащих группы параллельных черных и белых штрихов, имеющих одинаковую ширину в пределах одной группы (Рисунок 6). Каждая группа обычно пронумерована числом, обозначающим разрешающую способность оптико-электронной системы (ОЭС) в линиях на мм [24, 25].

450 500 550 600

Рисунок 6 — Испытательное изображение в виде групп полос равной ширины

Для определения наибольшей возможной четкости изображения, получаемого с помощью ТОЭС, последняя подключается к выводящему монитору, имеющему разрешение в несколько раз большее разрешения телевизионной системы, и направляется на испытательную таблицу. С помощью маркеров по краям таблица вписывается в кадр. Затем оператор находит на выводящем мониторе участок группы полосок, на котором они еще различимы по отдельности, то есть контраст данной группы достаточен. Число, стоящее рядом с группой, будет обозначать разрешение системы. По мере сближения полосы сливаются, и на экране представляют собой сплошной серый фон.

При необходимости более точного определения значения разрешающей способности используются испытательные изображения (миры), представляющие собой группы черных и белых прямых либо гиперболических клинообразных полос (Рисунок 7).

Рисунок 7 — Испытательные изображения в виде клинообразной группы полос

Представленные измерительные изображения входят в состав отечественных (ТИТ-0249, ИТ-72) и зарубежных (USAF-1951, ISO 12233 Chart) испытательных таблиц.

Для исключения человеческого фактора в процессе измерения разрешающая способность может быть определена осциллографом, подключаемым к камере. Оценка производится с помощью двух рядом расположенных одиночных импульсов. Количественным значением разрешающей способности является величина, обратная наименьшему временному интервалу между данными импульсами, при котором они еще различимы на приемном экране (Рисунок 8) [26].

Рисунок 8 — Определение разрешающей способности с помощью осциллографа, а) испытательное изображение, б) сигнал на выходе измерительного прибора

Для более редких видов телевизионных оптико-электронных систем, например, для сетчатко-подобных сенсоров, расположение светочувствительных элементов в котором имитирует распределение фоторецепторов в глазу человека [27], измерительные изображения могут быть видоизменены и представлены в виде звездообразных измерительных изображений с разными периодами [28-30].

С целью автоматизации и увеличения точности процесса определения пространственного разрешения ТОЭС может быть предпринято либо вычисление спектра пространственных частот тест-объекта с последующим устранением фоновых и шумовых характеристик по нескольким линиям приемника излучения

[31], либо вычисление функции передачи модуляции тест-объекта с группами полос равной ширины в отраженном или проходящем свете [32-37].

Данный метод, несмотря на свою распространенность и простоту применения, обладает и недостатками. Основным недостатком является сложность определении разрешающей способности с хорошей точностью при использовании ТОЭС на базе матричных приемников оптического излучения [38, 39]. При применении метода с данным видом ТОЭС изображение подвергается характерным искажениям (артефактам), вызванным матричной природой приемников. На Рисунке 9 артефакты визуально различимы на прямом клине, а биение сигнала на осциллограмме групп полос равной ширины внизу таблицы свидетельствует о наличии муаров на тест-объекте данного типа. При уменьшении числа штрихов миры, видимость муаров будет уменьшаться, однако, даже при половинном их числе, относительно числа элементов приемника, они будут еще достаточно хорошо видны [40].

Рисунок 9 — Муары, наблюдаемые телевизионной системой, и осциллограмма групп полос равной ширины внизу таблицы

В соответствии с определением ФПМ также в качестве тест-объекта используются группы синусоид разной частоты [33, 41]. ФПМ в данном случае

определяется, как частное Фурье-образов функции распределения освещенности вдоль строки захваченного ИИ и функции распределения яркости вдоль строки исходного ИИ [42, 43] (Рисунок 10).

6) |

Распределение яркости (предмет)

. Координата

В)

Распределение освещенности (изображение)

Координата

Г)

ФПМ

Пространственная частота

Рисунок 10 — Тест-объект группы синусоид разной частоты (а), распределение яркости вдоль строки тест-объекта (б), распределение освещенности вдоль строки тест-объекта, преобразованного тестируемой ОЭС (в), график ФПМ (г)

Тест-объект для определения ФПМ может быть выведен на дисплей ПК, напечатано на твердом носителе [44] или сформирован интерферометрическим методом [2].

В целом данный метод обладает достаточной точностью, но характеризуется ростом погрешности в области высоких частот, за счет возможности появления муаров, как и в методе с использованием групп полос равной ширины.

1.3 Метод определения двумерной функции передачи модуляции по случайной цели

Интерес представляет также определение ФПМ с использованием так называемой случайной цели [6, 45].

Метод определения ФПМ с использованием случайной цели заключается в захвате камерой тест-объекта, представляющего собой набор точек, яркость которых генерируется случайным образом от уровня сигнала «0» (черный) до уровня сигнала «1» (белый) с необходимым уровнем дискретизации сигнала при помощи генератора случайных чисел (Рисунок 11).

Рисунок 11 — Пример изображения, сформированного случайным образом

Полученное изображение затем может быть напечатано на полупрозрачной пленке, освещаемой сзади источником излучения с равномерным характером распределения освещенности [46, 47] или же, в более свежих публикациях, выводится на жидко-кристаллический дисплей [48]

Функция передачи модуляции исследуемой системы ФПМсис вычисляется по следующей формуле:

ФПМ =

хсис

N

СПМ

вых

^ СПМвх где

СПМвых и СПМвх — спектральные плотности мощности тест-объекта на выходе и на входе системы соответственно;

Значение СПМ находится путем применения к изображению быстрого преобразования Фурье.

Данный метод применим как для определения ФПМ всей ТОЭС [49], так и для отдельных ее компонентов: приемника излучения [48, 50] и объектива [51].

Для повышения точности проводится несколько измерений, а также отдельные измерения для приемника и измерение собственных шумов системы и влияния окружающей среды путем оценки ФПМ ТОЭС, направленной на изображение, представляющее собой нейтрально-серый фон. Примерный алгоритм приведен на Рисунке 12.

Рисунок 12 — Алгоритм точного измерения ФПМ оптического элемента

В статье [52] также произведено сравнение методов измерения ФПМ по одномерному испытательному изображению (шаблону), представляющему собой полосы равной ширины и двумерному испытательному изображению, представляющему собой черные и белые квадраты, расположенные в шахматном порядке (Рисунок 13).

Рисунок 13 — Одномерное (а) и двумерное (Ь) испытательные изображения

На Рисунке 14 показано сравнение графиков определения ФПМ по одномерному и двумерному шаблону с идеальной ФПМ без учета аберраций.

Рисунок 14 — График сравнения одномерной, двумерной и идеальной ФПМ

Как видно из рисунка, график ФПМ, измеренной по двумерному испытательному изображению, гораздо ближе к идеальному значению ФПМ, чем измеренный по одномерному шаблону.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Перезябов, Олег Аркадьевич, 2018 год

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Havranek V. Overview of OTF measurement // Physica. - 2002. C. 40-41.

2. Boothroyd С. В., Kasama Т., Dunin-Borkowski R. E. Comparison of approaches and artefacts in the measurement of detector modulation transfer functions //

3. Perezyabov O. A., Maltseva N. K., Ilinski A. V. Comparative analysis of resolution measurement methods for the optoelectronic radiation-tolerant systems // Journal of

4. Оптические измерения : учеб. пособие. / Демин В. В., Половцев И. Г., Симонова

5. Варгин П. С. Методики измерения чёткости и разрешающей способности цифровой телевизионной системы // Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника

6. Modulation transfer function in optical and electro-optical systems. / Boreman G. D.:

7. Navas-Moya F. A., Nieves J. L., Valero E. M., Garrote E. Measurement of the optical transfer function using a white-dot pattern presented on a liquid-crystal display // J. Eur.

8. Advanced optical imaging theory. / Gu M.: Springer Science & Business Media, 2000.

9. Introduction to Optical Testing. / Geary J. M.: SPIE Optical Engineering Press, 1993.

10. Fan C., Li G., Tao C. Slant edge method for point spread function estimation //

11. Sharma M. K., Singh R. K., Joseph J., Senthilkumaran P. Optical transfer function of an optical system with spiral zone masks in presence of primary aberrations // Optics and

12. Lens Design: A Practical Guide. Optical Sciences and Applications of Light. / Sun H.: CRC Press, 2016. Optical Sciences and Applications of Light. 373 c.

13. Vernier A., Perrin В., Avignon T., Augereau J., Jacubowiez L. Measurement of the modulation transfer function (MTF) of a camera lens // Education and Training in Optics and Photonics -Optical Society of America, 2015. С. TPE28.

14. Zhou Z., Gao F., Zhao H., Zhang L., Ren L., Li Z., Ghani M. U., Liu H. Monotone spline regression for accurate MTF measurement at low frequencies // Optics express. -

15. Nuzhin V., Solk S., Nuzhin A. Measuring the modulation transfer functions of objectives by means of CCD array photodetectors // Journal of Optical Technology. -

16. Olson J. T., Espinola R. L., Jacobs E. L. Comparison of tilted slit and tilted edge superresolution modulation transfer function techniques // Optical Engineering. — 2007.

17. Birch K. G. A lens testing apparatus // Optica Acta. - 1958. - T. 5, № Special number.

18. Birch K. G. A scanning instrument for the measurement of optical frequency response

19. Измерение передаточных функций оптических систем. / Шульман М. Я. — JL:

20. Process and apparatus for automatically determining the modulation transfer function of focal plane array cameras: пат. US6876443 B2 / Jochen Barth, Michael Assel, Polin

21. Method of determining a modulation transfer function of a digital imaging system:

22. Analysis and evaluation of sampled imaging systems. / Vollmerhausen R. H., Reago

23. Greivenkamp J. E., Lowman A. E. Modulation transfer function measurement of sparse-array sensors using a self-calibrating fringe pattern // Applied optics. - 1994. - T.

24. Перезябов О. А. Сравнительный анализ методов определения разрешающей способности оптико-электронных радиационно-стойких устройств // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. . - 2016.

25. Техническая оптика. / Шредер Т., Трайбер X. - М.: Техносфера, 2006. 424 с.

26. Basics Of Television Measurements. / Krivosheev M. I. - Moscow: Radio and

27. Wang F., Cao F., Bai Т., Su Y. Optimization of retina-like sensor parameters based on visual task requirements // Optical Engineering. - 2013. - T. 52, № 4. C. 04320628. Wang F., Cao F., Bai Т., Cao N., Liu C., Deng G. Experimental measurement of modulation transfer function of a retina-like sensor // Optical Engineering. - 2014. - T.

29. Otón J., Sorzano C. O. S., Marabini R., Pereiro E., Carazo J. M. Measurement of the modulation transfer function of an X-ray microscope based on multiple Fourier orders analysis of a Siemens star // Optics express. - 2015. - T. 23, № 8. C. 9567-9572.

30. Wang F., Cao F., Bai T. Modulation transfer function of spatially variant sampling retina-like sensor // Optik - International Journal for Light and Electron Optics. - 2013. -

31. Drynkin V. N., Falkov E. J. Determination of spatial resolution for airborne video systems // Photonics for Industrial Applications -International Society for Optics and

32. Boreman G. D., Yang S. Modulation transfer function measurement using three-and four-bar targets // Applied optics. - 1995. - T. 34, № 34. C. 8050-8052.

33. Zhang X., Kashti Т., Kella D., Frank Т., Shaked D., Ulichney R., Fischer M., Allebach J. P. Measuring the modulation transfer function of image capture devices: what do the numbers really mean? // Image Quality and System Performance IX. — T. 8293 -International Society for Optics and Photonics, 2012. C. 829307.

34. Schulz M. Improvements in OTF measurement technique // Specification and Measurement of Optical Systems. - T. 1781 -International Society for Optics and

35. Gambaccini M., Taibi A., Del Guerra A., Marziani M., Tuffanelli A. MTF evaluation of a phosphor-coated CCD for x-ray imaging // Physics in Medicine & Biology. - 1996.

36. Щелоков A. H., Пузырьков Д. В., Пугачёв А. А., Иванова Г. А. Физико-топологическое моделирование разрешающей способности фотоприемных СБИС // Известия Южного федерального университета. Технические науки. - 2015. № 2

37. Sitter D. N., Goddard J. S., Ferrell R. K. Method for the measurement of the modulation transfer function of sampled imaging systems from bar-target patterns //

38. Перезябов О. А., Абдукаримов A.M. Проблема определения разрешающей способности телевизионной оптико-электронной системы на базе матричного приемника с целью оценки качества аппаратуры внутритрубной диагностики // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. -

39. Абдукаримов А. М., Перезябов, О.А. Постановка проблемы оценки и анализа состояния внутренней поверхности газопровода с помощью метода визуального контроля // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное

40. Kulikov А. N. Actual resolution of a television camera // Special equipment. - 2002.

41. Boone J. M., Yu Т., Seibert J. A. Sinusoidal modulation analysis for optical system MTF measurements // Medical Physics. - 1996. - T. 23, № 12. C. 1955-1963.

42. Bravo-Zanoguera M. E., Rivera-Castillo J., Vera-Perez M., Carranza M. A. R. Use of the Modulation Transfer Function to Measure Quality of Digital Cameras // 16th International Conference on Electronics, Communications and Computers (CONIELECOMP'06) 10.1109/CONIELECOMP.2006.622006. C. 52-52.

43. Ferrara M., Franco A., Maltoni D. Fingerprint scanner focusing estimation by Top Sharpening Index // 14th International Conference on Image Analysis and Processing (ЮАР 2007) 10.1109/ICIAP.2007.4362783 2007. С. 223-228.

44. Inoue S., Tsumura N., Miyake Y. Measuring MTF of paper by sinusoidal test pattern projection // Journal of Imaging Science and Technology. - 1997. - T. 41, № 6. C. 65745. How to measure MTF and other properties of lenses / Optikos Corporation,

46. Daniels A., Boreman G. D., Ducharme A. D., Sapir E. Random transparency targets for modulation transfer function measurement in the visible and infrared regions // Optical

47. Daniels A., Boreman G. D., Ducharme A. D., Sapir E. Random targets for modulation transfer function testing // Optical Engineering and Photonics in Aerospace Sensing -International Society for Optics and Photonics, 1993. C. 184-192.

48. Zhang X., Sha D. Modulation transfer function evaluation of charge-coupled-device camera system based on liquid-crystal display random targets // Photonics Asia 2004 -International Society for Optics and Photonics, 2005. C. 1014-1021.

49. Pospisil J., Jakubik P., Machala L. Light-reflection random-target method for measurement of the modulation transfer function of a digital video-camera // Optik -International Journal for Light and Electron Optics. - 2005. - T. 116, № 12. C. 573-585.

50. Photoelectronic Imaging Devices: Physical processes and methods of analysis. / Biberman L.: Springer Science & Business Media, 2013.

51. Levy E., Peles D., Opher-Lipson M., Lipson S. G. Modulation transfer function of a lens measured with a random target method // Applied Optics. - 1999. — T. 38, № 4. C.

52. Kang J., Hao Q., Cheng X. Measurement and comparison of one-and two-dimensional modulation transfer function of optical imaging systems based on the random target method // Optical Engineering. - 2014. - T. 53, № 10. C. 104105-104105.

53. Marom E., Milgrom B., Konforti N. Two-dimensional modulation transfer function: a new perspective // Applied optics. - 2010. - T. 49, № 35. C. 6749-6755.

54. Haim H., Konforti N., Marom E. Optical imaging systems analyzed with a 2D

55. Haim H., Konforti N., Marom E. Performance of imaging systems analyzed with two-dimensional target // Applied optics. - 2012. - T. 51, № 25. C. 5966-5972.

56. Beeckman J., Neyts K., Vanbrabant P. J. Liquid-crystal photonic applications //

57. Fernández-Oliveras A., Pozo A. M., Rubiño M. Comparison of spectacle-lens optical quality by modulation transfer function measurements based on random-dot patterns //

58. Когерентная оптика. Учебное пособие по курсу «Когерентная оптика». /

59. Boreman G. D., Centore А. В., Sun Y. Generation of laser speckle with an integrating

60. Boreman G., Dereniak E. Method for measuring modulation transfer function of charge-coupled devices using laser speckle // Optical Engineering. - 1986. - T. 25, № 1.

61. Sensiper M., Boreman G. D., Ducharme A. D., Snyder D. R. Modulation transfer function testing of detector arrays using narrow-band laser speckle // Optical Engineering.

62. Pozo A. M., Rubiño M. Comparative analysis of techniques for measuring the modulation transfer functions of charge-coupled devices based on the generation of laser

63. Liu M., Zhen W., Liang Y., Yu M., He P. a., Cheng C. Modulation transfer function measuring of charge-coupled devices using laser speckle // Photonics China'96 -International Society for Optics and Photonics, 1996. C. 603-610.

64. Chen X., George N., Agranov G., Liu C., Gravelle B. Sensor modulation transfer function measurement using band-limited laser speckle // Optics express. - 2008. - T. 16,

65. Backman S., Makynen A., Kolehmainen Т., Ojala К. Random target method for fast MTF inspection // Optics express. - 2004. - T. 12, № 12. C. 2610-2615.

66. Pozo A., Ferrero A., Rubino M., Campos J., Pons A. Improvements for determining the modulation transfer function of charge-coupled devices by the speckle method //

67. Evtikhiev N. N., Starikov S. N., Cheryomkhin P. A., Krasnov V. V. Measurement of noises and modulation transfer function of cameras used in optical-digital correlators // Intelligent Robots and Computer Vision XXIX: Algorithms and Techniques. - T. 8301 -International Society for Optics and Photonics, 2012. C. 830113.

68. Pozo A. M., Rubino M., Castro J. J., Salas С., Pérez-Ocôn F. Measuring the image quality of digital-camera sensors by a ping-pong ball // 12th Education and Training in Optics and Photonics Conference -International Society for Optics and Photonics, 2014.

69. Kwon J. H., Rhee H. G., Ghim Y. S., Lee Y. W. Performance Evaluation of MTF Peak Detection Methods by a Statistical Analysis for Phone Camera Modules // Journal

70. Нужин А. В., Солк С. В. Измерение функций передачи модуляции объективов с помощью матричных ПЗС-фотоприемников // Оптичский журнал. - 2008. - Т. 75,

71. Estribeau M., Magnan P. Fast MTF measurement of CMOS imagers using ISO 12333 slanted-edge methodology // Optical Systems Design -International Society for Optics

72. Najafi S., Madanipour K. Measurement of the modulation transfer function of a charge-coupled device array by the combination of the self-imaging effect and slanted

73. Zhang H., Li C., Duan Y. Modified slanted-edge method to measure the modulation transfer function of camera // Optik. - 2018. - T. 157. C. 635-643.

74. Perezyabov O. A., Baranov A. N., Maltseva N. K., linski A. V. Application for determining the modulation transfer function of the smartphone built-in camera // 2017 Progress In Electromagnetics Research Symposium - Spring (PIERS)

75. ISO 12233: 2000, Photography—Electronic Still Picture Cameras—Resolution Measurements. / Normalización O. I. d.: International Organization for Standardization,

76. Vlasyuk I. V. Control method of the spatial characteristics of television cameras // Metrology and measuring equipment in communications. - 2005. № 6. C. 13-16.

77. Fujita H., Tsai D.-Y., Itoh T., Morishita J., Ueda K., Ohtsuka A. A simple method for determining the modulation transfer function in digital radiography // Medical Imaging,

78. Buhr E., Günther-Kohfahl S., Neitzel U. Simple method for modulation transfer function determination of digital imaging detectors from edge images // Medical Imaging 2003 -International Society for Optics and Photonics, 2003. C. 877-884.

79. Ivashkov D. V., Batranin A. V., Mamyrbaev T. A. The method of measurement of modulation transfer function before the the sampling stage and its check at Phoenix Nanotom tomograph // Information technologies of nondestructive testing: collection of scientific works of the Russian school, conference with international participation,

80. Gundy S., Van der Putten W., Shearer A., Buckton D., Ryder A. G. Determination of the modulation transfer function for a time-gated fluorescence imaging system // Journal

81. Li J., Xing F., Sun T., You Z. Efficient assessment method of on-board modulation transfer function of optical remote sensing sensors // Optics express. - 2015. - T. 23, №

82. Kohm K. Modulation transfer function measurement method and results for the Orbview-3 high resolution imaging satellite // Proceedings of ISPRS -, 2004. C. 12-23.

83. Li H., Yan C., Shao J. Measurement of the modulation transfer function of infrared imaging system by modified slant edge method // Journal of the Optical Society of Korea.

84. Roland J. K. A study of slanted-edge MTF stability and repeatability // IS&T/SPIE Electronic Imaging -International Society for Optics and Photonics, 2015. C. 93960L-

85. Xie X., Fan H., Wang H., Wang Z., Zou N. Error of the slanted edge method for measuring the modulation transfer function of imaging systems // Applied Optics. - 2018.

86. Wan W., Gao F., Zhao H., Zhang L., Zhou Z. Effect of noise levels of an edge image on determining the presampled modulation transfer function // SPIE BiOS -International

87. Masaoka K., Yamashita Т., Nishida Y., Sugawara M. Modified slanted-edge method and multidirectional modulation transfer function estimation // Optics express. - 2014. -

88. Rangarajan P. V., Sinharoy I., Christensen M. P., Milojkovic P. A critical review of the slanted-edge method for color SFR measurement // Imaging Systems and

89. Hornung H. H. Objective evaluation of slanted edge charts // Proc. of SPIE Vol. - T.

90. Alaruri S. D. Calculating the modulation transfer function of an optical imaging system incorporating a digital camera from slanted-edge images captured under variable illumination levels: Fourier transforms application using MATLAB // Optik-International Journal for Light and Electron Optics. - 2016. - T. 127, № 15. C. 5820-5824.

91. Теория оптических систем: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов. / Заказнов Н. П. К., Станислав Иванович; Кузичев,

92. Оптические измерения. Часть 4. Оценка качества оптического изображения и измерение его характеристик. / Кирилловский В. К. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005.

93. Korobeynikov A., Aleksanin S., Perezyabov О. Automated image processing using magnetic defectoscopy // ARPN J. Eng. Appl. Sci. - 2015. - T. 10, № 17. C. 7488-7493.

94. Перезябов О. А., Ильинский, A.B., Мальцева, H.K. . Оценка функции передачи модуляции оптико-электронной системы // Вопросы радиоэлектроники. Серия

95. Perezyabov О. A., Maltseva N. К., Ilinski А. V. Measuring the modulation-transfer function of radiation-tolerant machine-vision system using the sum of harmonic

components of different frequency // SPIE Optics + Optoelectronics. - T. 10231 -SP1E,

96. Цифровая обработка изображений. Издание 3-е, исправленное и дополненное

97. Компьютерное моделирование физических процессов в пакете MATLAB:

98. Jain P. One-dimensional sensor modulation transfer function, revisited // Applied

99. Bai L., Xu Y., Jiang Y., Chen H., Wu H., Zhang J., Song G. Numerical simulation of the modulation transfer function in planar InGaAs dense arrays // Infrared Physics &

100. Grabski V., Brandan M.-E. A simple method to estimate coordinate resolution and MTF for pixelized detectors // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 2007. -

101. Handbook of Optics: Fundamentals, techniques, and design. / Bass M., America O.

102. Источники и приемники излучения: Учебное пособие для оптических специальностей вузов. / Ишанин Г. Г., Панков, Э.Д., Андреев, А. Л., Польщиков, Г.

103. High Performance Silicon Imaging: Fundamentals and Applications of CMOS and

104. Ильин А. А., Овчинников A. M., Овчинников M. Ю. Принцип работы и устройство активно-пиксельных датчиков // Препринты Института прикладной математики им. MB Келдыша РАН. - 2003. № 85. С. 30.

105. Мишин А. Б. Метод, алгоритм и адаптивное устройство обработки изображений на базе КМОП-видеодатчиков с использованием нейроподобных структур: диссертация на соискание степени кандидата технических наук по специальности: 05.13.05 / Мишин А.Б. Курск: Юго-Западный государственный

106. Перезябов О. А. Оценка методической погрешности измерения функции передачи модуляции системы машинного зрения по мультисинусному тест-объекту // Вопросы радиоэлектроники. Серия Техника телевидения. - 2018. № 3. С.

107. Aleksanin S., Zharinov I., Korobeynikov A., Perezyabov O., Zharinov O. Evaluation of chromaticity coordinate shifts for visually perceived image in terms of exposure to external illuminance // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. - 2015. - T.

108. Starostina E. S., Perezyabov O. A., Maltseva N. K. Calculation and computer modeling of radiation-tolerant LED luminaire // SPIE Optical Systems Design. - T. 10693

109. Perezyabov O. A., llinski A. V., Maltseva N. K. Optoelectronic system modulation transfer function measurement based on the method of summation over different frequencies harmonic functions // SPIE Optical Systems Design. - Т. 10692 -SPIE, 2018.