автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка оптико-электронных специализированных методов обработки изображений в информационных интерактивных системах

Національна академія наук України Фізико-механічний інститут ім Г.В.Карпенка

РГ6 од 1 з СЕЙ іМ

ВОРОІІЯК Тарас Іванович

№

УДК 681.518:535.8

РОЗРОБКА ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННИХ СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ ЗАСОБІВ ОБРОБКИ ЗОБРАЖЕНЬ В ІНФОРМАЦІЙНИХ ІНТЕРАКТИВНИХ

СИСТЕМАХ

05.11.16 - Інформаційно-вимірювальні системи

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЛЬВІВ-2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В.Карпенка НАН України

Науковий керівник: кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник Бачевський Роман Сергійович Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України, завідувач відділу

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Смердов Андрій Андрійович Державний університет “Львівська політехніка “, завідувач кафедри

доктор технічних наук Воробель Роман Антонович ;

Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України,

старший науковий співробітник

Провідна установа: Вінницький державний технічний університет, кафедра лазерної та оптоелектронної техніки

Захист відбудеться 7 » 2000 р. о/^ годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д.З 5.226.01 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В.Карпенка НАН України за адресою : 79601, Львів, вул. Наукова,5.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці інституту (79601, Львів, вул. Наукова, 5.)

Автореферат розісланий «^>> 7^0^^ 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, ст. н. с. -'Погребенник В.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Обробка зображень (03) займає важливе місце у загальній проблемі обробки інформації. Особливо актуальною є проблема обробки широкоформатних великомасштабних аеро- та космофотографічних зображень (АКЗ) земної поверхні. Аерокосмічне фотографування земної поверхні в різних спектральних діапазонах є одним з основних методів дистанційного зондування, що використовуються для вирішення проблеми охорони та раціонального використання природних ресурсів і забезпечує отримання зображень високого розділення - до 100 лін./мм. Однак надзвичайно великий об’єм інформації, що міститься в кожному зображенні, і постійне нагромадження кількості АКЗ. ускладнюють їх оперативну обробку автоматизованими цифровими засобами. Швидке оцифрування АКЗ веде до втрати розділення, що, в свою чергу, не дозволяє вирішувати ряд оперативних задач 03. Оптико-електронні методи дозволяють значно підвищити швидкодію обробки зображень і в повній мірі використати всі переваги, що надають АКЗ. Вагомий внесок у розробку оптико-електронних засобів обробки АКЗ зробили Ваешіенко Г.І., Гуревич С.Б., Касасент Д,, Катис Г.П., Потапов 0.0. та іи. Однак ці високопродуктивні засоби, що в основному розроблені на основі когерентно-оптичних методів обробки, непридатні для задач попередньої обробки і візуального дешифрування зображень.

У зв’язку з постійним зростанням кількості АКЗ, що потребують експрес-аналізу та обробки, актуальною є проблема розробки нових, нетрадиційних підходів до вирішення проблеми автоматизації і підвищення достовірності процесу їх дешифрування. Складність вирішення вказаної проблеми цифровими методами, в першу чергу, зумовлена тим, що АКЗ є складноструктурованими високоінформативними семантично насиченими масивами інформації з об’ємом порядку 107...108 біт, на яких тематичний інтерес можуть мати всі без винятку інформативні елементи зображення, а також їх довільні сукупності. Крім того, загальною особливістю таких зображень є відсутність прямих однозначних зв’язків між спектральними, тональними, геометричними, топологічними та іншими властивостями елементів АКЗ з. одного боку, і фізичними, хімічними властивостями відповідних до них реальних об’єктів з другого, що суттєво ускладнює формалізацію процесу як дешифрування, так і обробки АКЗ. Дана особливість є основною перепоною на шляху створення єдиного математичного апарату, що описує процес обробки і тематичного дешифрування АКЗ, і тим самим ускладнює алгоритмізацію і автоматизацію процесу, хоча перспективними для цих цілей є використання методів топології, математичної статистики та теорії

розпізнавання образів. Внаслідок цього тематичне дешифрування АКЗ було і в значній мірі продовжує залишатися складним творчим процесом, який поєднує об’єктивні знання з однієї сторони і досвід, кваліфікацію та інтуїцію спеціаліста-інтерпретатора з іншої. Саме тому використання під час дешифрування та інтерпретації зображень гібридних інтерактивних засобів попередньої обробки, які б надавали спеціалісту-інтерпретатору максимальний набір перетворених зображень, що відрізняються за рангом, інформативних елементів і структур, та можливість проводити їх експрес-аналіз і класифікацію, дозволяє підвищити достовірність та швидкість процесу дешифрування а також селекції АКЗ для комп’ютерної обробки. '

Тому виникла необхідність створення нових високопродуктивних спеціалізованих засобів обробки АКЗ, призначених для автоматизації та підвищення достовірності процесу тематичного дешифрування і експрес-аналізу зображень, що враховують специфіку і особливість: останніх як складноструктурованих семантично насичених масивів інформації, та специфіку вказаного процесу. . ....

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Основні наукові результати, що викладені у дисертації, отримані під час виконання проектів та науково-дослідних робіт у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України: проект 06.02.02/016-92 (“ІТІС - 16”) “Розробка комплексу оптико-електронних та оптико-цифрових систем і інформаційних технологій обробки, аналізу та тематичного дешифрування складно-структурованих семантично насичених зображень” Державної науково:технічної програми 06.02.02. ДКНТП • України “Перспективні інформаційні технології і системи”; НД - 24/164 “Створення автоматизованого оптоелектронного комплексу для експрес-аналізу та неперервного моніторингу капілярних властивостей високотемпературних розплавів”, № ДР 019711013062; та проекту № 559 Українського ; Науково-Технологічного Центру ’’Розробка методів кореляційного аналізу фазово-кодованих зображень для підвищення ефективності голографічних систем' розпізнавання образів (СОШРЕ)”.

‘ Метою дисертаційної роботи є створення високопродуктивних оптико-електронних спеціалізованих засобів 03, що призначені для автоматизації та підвищення достовірності процесу тематичного дешифрування і експрес-аналізу АКЗ "в інформаційних інтерактивних системах. У відповідності до поставленої мети дисертаційна робота включає розв’язання таких задач:

- порівняльний аналіз сучасного стану методів і засобів обробки та дешифрування зображень; . .

з

- розробка принципів побудови оптико-електронних засобів 03 в інформаційних інтерактивних системах;

- дослідження та порівняльний аналіз ефективності виконання операцій перетворення зображень за допомогою просторово-часових модуляторів світла (ГТЧМС) та фотоанізотропних реєструвальних матеріалів (ФАРМ);

- розробка методики 03 за допомогою оптико-електронних засобів з використанням ОТМС та ФАРМ;

- розробка оптико-електронних пристроїв 03 та дослідження ефективності їх роботи.

Наукова новизна роботи. Наукова новизна результатів досліджень полягає у розробці принципів побудови та реалізації оптико-електронних спеціалізованих засобів 03 в інформаційних інтерактивних системах.' При цьому вперше: ■ ' - ■

- розроблено методику попередньої 03 за допомогою оптико-електронних спеціалізованих засобів на основі ФАРМ;

- запропоновано і реалізовано методику розрахунку оптимальних параметрів елементів оптичних схем оптико-електронних засобів 03;

- запропоновано масштабно-шваршнтний метод одно- та дкомірного

просторового диференціювання зображень та розроблено для реалізації цього методу оптико-механічний вузол; '

- досліджено інформаційно-динамічні характеристики ФАРМ типу

СЧМ-А2 і розроблені принципи їх використання в оптико-електронних кореляційних системах 03 та пристроях, що ~ поєднують операції некогерентної і когерентної обробок. .

Практичне значення результатів. Запропоновані принципи побудови і методика розрахунку оптимальних параметрів елементів оптичних схем оптико-електронних засобів 03 та методика 03 можуть використовуватись при розробці реальних пристроїв попередньої обробки і візуального дешифрування зображень. В таких пристроях можливе поєднання операцій попередньої обробки і кількісного аналізу зображень. Вони можуть фукціонувати як самостійно, так і в комплексі з цифровими обчислювальними засобами, і забезпечують паралельну експрес-обробку зображень високого розділення, зокрема АКЗ, з форматом кадра >180x180 мм2. Запропонована методика розрахунку оптимальних параметрів елементів оптичних схем придатна також для використання під час розробки оптичних схем для гібридних оптико-цифрових систем експрес-аналізу та неперервного моніторингу досліджуваних об’єктів у таких галузях як матеріалознавство, ливарництво та ін.

Реалізація науково-технічних результатів. Експериментальні та теоретичні результати, отримані у дисертаційній роботі, використано в науково-дослідних роботах відділу оптико-електронних інформаційних систем Фізико-механічного інституту ім Г.В. Карпенка НАН України та навчальному процесі на електрофізичному факультеті Державного університету “Львівська політехніка”, що засвідчено актами впровадження. На основі отриманих результатів розроблено оптичну схему для оптико-цифрової системи неперервного моніторингу капілярних властивостей високотемпературних розплавів, що створювалась в рамках спільної роботи ІПМ ім. І.М.Францевича НАІІ (м.Київ) та ФМІ ім. Г.В.Карпснка НАН (м.Львів) згідно постанови Бюро ВФТНМ НАН України від 27. 06. 95 р. Результати дисертації Еикоркстано під час розробки та створення кореляційного пристрою ідентифікації оптичних міток в рамках проекту № 559 Українського Науково-Технологічного Центру. За допомогою пристрою 03, виготовленого на основі результатів дисертаційної роботи, студенти мають змогу вивчати принципи побудови оптико-електронних засобів 03 і методику попередньої обробки та візуального тематичного дешифрування АКЗ.

Апробація результатів роботи. Результати досліджень та основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: :

- 16 науково-технічній конференції “Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов” (м. Москва, 1993 р.);

- IV міжнародній науково-технічній конференції “Фізичні методи та

засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів - ЛЕОТЕСТ-99”(м. Львів, 1999 p.); .

- З міжнародній конференції “Photonics, Devices, and Systems -PHOTONICS PRAGUE‘99” (м. Прага, Чеська Республіка, 1999 p.);

- Міжнародній конференції “Algorithms, Devices, and Systems for Optical Information Processing III” (м. Денвер, США, 1999 p.);

- Міжнародному семінарі “ Optoelectronic and Hybrid Optical/Digital Systems for Image/Signal Processing - ODS’99 ” (м. Львів, 1999 p.);

- V міжнародній науково-технічній конференції “Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів - ЛЕОТЕСТ-2000” (м. Львів, 2000 p.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладено у 13 наукових працях, з них 10 статей у фахових наукових журналах і збірниках та один патент.

Особистий внесок автора. Результати, що складають основний зміст роботи, отримані автором самостійно. При цьому, в працях, що написані у співавторстві, здобувачеві належить: розробка принципів побудови оптико-

електронних засобів 03 [1,2,6,7,8,12,13], експериментальні дослідження ФАРМ та розробка засобів і методик 03 на основі використання даних матеріалів [3,4,11], методика розрахунку оптимальних параметрів елементів оптичних схем для оптико-електронних засобів 03 [9,10].

Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних джерел і додатків. Робота викладена на 184 сторінках друкованого тексту, містить 53 рисунки, 5 таблиць. Перелік використаних джерел містить 100 бібліографічних посилань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність вибраної теми досліджень, сформульовано мету та основні задачі роботи, визначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, наведено структуру та короткий зміст роботи.

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану методів і засобів обробки та дешифрування зображень. Сформульовано вимоги до засобів попередньої 03, що випливають з особливостей зорового апарату людини. Розглянуто семантико-асоціативний підхід до 03, який має принципову відмінність у порівнянні з відомими підходами і полягає в тому, що інформація, яка міститься в зображенні, не ділиться па корисну складову та шум, а припускається, що вся інфомація може бути корисною або, по меншій мірі, не може апріорно відкидатися як непотрібна до того моменту, доки спеціаліст-інтерпретатор на основі наявного у нього досвіду і аналізу всієї сукупності перетворених зображень не створить найбільш адекватну модель ситуації, що вивчається. Проведено порівняльний аналіз можливих шляхів технічної реалізації семантико-асоціативного підходу до 03. Показано, що застосування оптико-електронних засобів дозволяє вирішувати коло задач, які визначаються вимогами семантико-асоціативного підходу. Перевагою оптичних і оптико-електронних засобів є також простота як в плані вводу-виводу, так і в плані безпосередньої обробки і наглядності отримуваних результатів. Що ж стосується швидкодії, то в подібних системах вона досить висока, оскільки поширення і перетворення сигналів відбувається зі швидкіб'по світла, а об’єм інформації, що подається та обробляється, практично обмежується лише роздільчою здатністю (РЗ) і апертурою оптичних елементів і носіїв зображень. Перевагою оптико-електронних засобів є також можливість об’єднати в одній системі операції попередньої обробки та кількісного аналізу без застосування цифрових процесорів.

В цьому розділі досліджені основні характеристики ПЧМС ПРИЗ і ФОТОТІТУС та проаналізовано їх придатність як основних функціональних

вузлів оптико-електронних засобів 03. Швидкодія модулятора ПРИЗ (ЗО циклів “запис-стирання” за секунду) перевищує швидкодію інших ПЧМС, а його РЗ досягає 50...70 лін./мм на рівні 0,1 частотно-контрастної характеристики (ЧКХ), що свідчить про доцільність його використання в системах 03. Відмінними особливостями модулятора є анізотропія просторових передатних характеристик, а також здатність відфільтровувати низькочастотні компоненти зображень, що вводяться, і низькочастотні власні шуми. Саме ці характеристики не дозволяють використовувати модулятор ПРИЗ як основний вузол паралельного перетворення зображень в засобах попередньої обробки і візуального дешифрування.

Серед відомих типів ПЧМС ФОТОТІТУС має найширше коло функціональних можливостей. Показана принципова можливість виконання цим ПЧМС наступних операцій 03: додавання та віднімання зображень; ввід та придушення постійного рівня яскравості; одно- та двомірне просторове диференціювання зображень; перетворення зображень з одного спектрального діапазону в інший; регулювання контрасту; виділення областей однакового фототону.

У розділі розглянуто і проаналізовано новий метод 03 в иекогерєнтному світлі з використанням реверсивних ФАРМ, що володіють ефектом фотоіндукованої анізотропії і можуть працювати за режимом “запис-стирання” в реальному масштабі часу. ФАРМ в початковому стані прозорі та ізотропні, а під дією лінійно поляризованого активувального випромінювання (ЛПАВ) в них наводиться анізотропія, що викликає двозаломлення. ФАРМ мають ряд переваг над традиційними ПЧМС, а саме: висока РЗ, рівна РЗ голографічних фотореєструвальних матеріалів; практично необмежена апертура; невисока вартість, сумірна з вартістю звичайних фотопластинок; простота в користуванні (не вимагають блоків живлення чи керування).

Показано, що наведені у літературі характеристики неоднозначні і ускладнюють оцінку можливостей використання ПЧМС і ФАРМ як основних функціональних вузлів оптико-електронних засобів 03. Більш того, оптимальні умови реалізації перетворень зображень а також реальні експлуатаційні, технічні, функціональні можливості і властивості ПЧМС та ФАРМ взагалі не знайшли відображення у літературі, хоча для задач 03 вони досить суттєві.

У другому розділі поставлено і вирішено задачу дослідження в комплексі фізичних властивостей, інформаційно-динамічних характеристик та техиіко-експлуатаційних показників ПЧМС ФОТОТІТУС і ФАРМ типу СЧМ-А2 як основних функціональних елементів оптико-електронних засобів 03, що виконують заданий комплекс операцій обробки.

Дослідження раду модуляторів ФОТОТІТУС показали значний розкид максимальних значень контрасту при зчитуванні некогерентним світлом - від 14:1 до 60:1, а для деяких приладів значне відхилення робочої температури від паспортних даних в сторону зниження - до -85°С (звичайно робоча температура складає біля -60°С). Експериментально отримана усереднена ЧКХ модуляторів при зчитуванні некогерентним світлом показана на рис.1. Контраст ПЧМС в загальному нижчий від наведених у літературі даних і суттєво залежить від: температури електрооптичного кристала; напруги, прикладеної до нього; спектрального складу зчитувального випромінювання, а також якості оптичної системи зчитування. Для деяких зразків ПЧМС спостерігається зміна контрасту за час експлуатації, пов’язана зі зміною робочої температури під час експлуатації. Показано, що оптимальною для зчитування є жовто-оранжева область спектру, хоча, в цілому, зчитування може проводитись в досить широкому спектральному діапазоні, що забезпечує можливість синтезу псевдокольорових зображень. Контраст записаного на ФОТОТІТУС зображення зменшується протягом часу спостереження за експоненціальним

законом, причому найбільш стрімкий

СПЗД СИОСТСріГаСТЬСЯ На Г'СрІІІИХ

секундах після закорочування електродів. Якщо вибрати за критерій оцінки цього параметра час півспаду сигналу, то цей час складає від 40 с до 130 с, що в цілому задовільняє вимогам візуального спостереження і аналізу зображень. При цьому пам’ять приладу суттєво залежить від енергії зчитувального світлового потоку. Поряд з цим загальною закономірністю е швидший спад сигналу при негативній полярності напруги на модуляторі ніж при позитивній.

Чутливість ПЧМС (що визначається як енергія записувального світла, за якої досягається інтенсивність вихідного сигналу в е разів менша, ніж інтенсивність насичення) складає в середньому 3...3,3-10"5 Дж/см2 для позитивної полярності напруги і

5...5,5Т0'5 Дж/см2 для негативної полярності, хоча для окремих приладів спостерігались відхилення від вказаних середніх величин на 50 % і більше.

Аналіз одержаних експериментальних результатів показує, що під час використання ПЧМС в якості носія зображення (елемента пам’яті), а також при використанні перетворень, що грунтуються на: операціях додавання, адекватність виконання ПЧМС своїх функцій визначає, в основному, нелінійність його передатної характеристики, (залежності коефіцієнта пропускання модулятора за інтенсивністю зчитувального світла-, від інтенсивності записувального світла), що особливо помітна поблизу рівня насичення приладу. Отже, дана властивість ПЧМС значно знижує точність реалізації операцій віднімання. Однак, наведені результати справедливі лише для випадку, коли віднімання проводиться під час зміни полярності напруги. Встановлено, що під час повторного експонування мішені ГІЧМС при закорочених електродах, нелінійні ефекти відіграють значно меншу роль, оскільки при цьому відбувається не перезапис,, а стирання (повне чи часткове) зображення, яке тим більш ефективне, чим більшою була експозиція даної ділянки зображення. Крім того, нелінійність віднімання, що є для ряду задач суттєвим недоліком, одночасно відкриває додаткові можливості для реалізації широкого класу нелінійних перетворень зображень.

^ розділі наведені результати - досліджень ефективності реалізації за допомогою ПЧМС ФОТОТІТУС таких задач 03, як: виділення продовгуватих елементів довільної орієнтації; ізотропне диференціювання; виділення границь розмитих областей в присутності інтенсивних високочастотних шумів; виділення продовгуватих елементів довільної орієнтації; виділення областей різної текстури.

Встановлено, що фазові шуми ФОТОТІТУСа не дозволяють використати його в когерентно-оптичних системах кількісного аналізу зображень. Більш того, складна сендвіч-структура ПЧМС і його робота на відбивання, за умови великої кількості відбивних напівпрозорих поверхонь, робить повне усунення таких шумів доволі складною технічною задачею.

У розділі наведені результати експериментальних досліджень передатних і інформаційно-динамічних характеристик ФАРМ типу СЧМ-А2, зокрема: ЧКХ при записуванні і зчитуванні когерентним світлом (Не-Ссі лазер з А-вип=442 нм і Не-Ие лазер з ^вип=633 нм відповідно) та при записуванні когерентним а зчитуванні некогерентним світлом (див. рис.2); умови і динаміка записування, зчитування та стирання зображень; кількість циклів “запис-стирання”; залежність дифракційної ефективності і] від експозиції Я (див. рис. 3) та поріг чутливості матеріалу.

Візуальна РЗ матеріалу для некогерентного світла, що спостерігалась за допомогою мікроскопа, перевищувала 500 лін./мм. Дифракція на експонованій

голографічною граткою ділянці ФАРМ спостерігалась за просторової частоти гратки у= 1000 мм'1. '

Записування інтерференційної картини, що формувалася за допомогою інтерферометра Майкельсона, проводилося на площадку розміром 5x5 мм2.

На одній такій площадці було здійснено > 1000 циклів “запис-стирання” тієї ж картини без помітного погіршення якості

відгука (дифракційної

ефективності) на виході оптичної схеми. При цьому середня тривалість циклу “запис-

стирання” складала 1 с. Для зразків ФАРМ, що

досліджувались, порогова

інтенсивність

V* т>„;__2

складала

1пор

Рис.2 ЧКХ ФАРМ типу СЧМ-А2.

нанесеним ФАРМ розміром 9х 12 см2.

Рис.З Залежність дифракційної ефективності т] СЧМ-А2 від експозиції Я.

2-10' Вт/см . Щодо швидкодії, то для записування на СЧМ-А2 достатньо часу експозиції / ~10 не за відповідної інтенсивності ЛПАВ. Під час досліджень використовувались пластини з

Було встановлено, що ФАРМ володіють малими фазовими шумами і тому придатні для використання в оптико-електронних системах, що поєднують операції

некогерентної і когерентної обробки, тобто операції попередньої обробки і кількісного аналізу

зображень. Як приклад використання ФАРМ в

когерентно-оптичних засобах обробки інформації, наведено оптичну схему та характеристики корелятора сумісного Фур’є перетворення з використанням ФАРМ типу СЧМ-А2.

,;. Третій розділ присв’ячений принципам побудови оптико-електронних спеціалізованих засобів 03 в інформаційних інтерактивних системах та методиці розрахунку оптимальних параметрів елементів оптичних схем таких засобів. Такі оптико-електронні засоби повинні.забезпечувати:

. 1) можливість реалізації наступної сукупності операцій і алгоритмів

обробки: додавання і віднімання зображень; регулювання контрасту, включаючи інверсію; диференціювання першого порядку по одній із просторових координат; диференціювання другого порядку (високочастотна фільтрація); розфокусування (низькочастотна фільтрація); виділення областей заданого тону (тональна фільтрація);

2) РЗ перетвореного зображення на рівні, що гарантує необхідне зорове сприйняття оператором під час візуального дешифрування одночасно цілого .кадру, причому цей рівень не повинен бути нижчим за РЗ вхідного зображення, що важливо для подальшої обробки та дешифрування окремих ділянок перетвореного зображення;

_ 3) рівномірність освітлення в площині рсєструвального середовища

(ПЧМС чи ФАРМ) не гірше за 5% при потужності записувального світлового потоку, що дає можливість проводити записування середнього за густиною зображення за час порядку 1с; ■ .

4) рівномірність зчитувального світлового потоку в площині візуалізації вихідного зображення і контраст зчитаного зображення не нижче 20:1;

В запропонованій методиці розрахунок оптимальних параметрів елементів оптичних схем, зокрема фокусної відстані/та діафрагмового числа К записувального проектувального об’єктива, пропонується розпочинати з визначення величини РЗ системи об’єктив-реєструвальне середовище:

Я - Чгко /П

де ку+о■ ■ - РЗ системи об’єктив-реєструвальне середовище, Кц- РЗ ресструв2шьнбго середовища, - РЗ записувального об’єктива. Тоді величина оптимального лінійного збільшення р записувального об’єктива:

■ °, (2) КМ+0 КМ'К0

де Я3 - РЗ вхідного зображення. Величина р пов’язує відстань Д між кадром вхідного зображення та реєструвальним середовищем (ПЧМС чи ФАРМ) і /

Д= 2/ + /.р + //р = /('2 + р + 1/р;. (3)

Розрахунок глибини різкості записувального об’єктива в площині вхідного зображення А за виразом .

А = 2К1і-3*КМ+°-, (4)

Яо

та площині рееструвального середовища Л' за виразом

А' = К^-+~У+°, (5)

2

М+О

дозволяє визначати вимоги до точності позиціювання вхідного зображення і ;і ресструвального середовища. Подібним чином розраховуються оптимальні параметри зчитувальних об’єктивів, що проектують результат 03 в площину візуального спостереження та площину реєстраціїї. При цьому об’єктив, що проектує результат 03 в площину візуального спостереження, для підвищення ефективності дешифрування АКЗ, має бути зі змінною фокусною відстанню.

У другому розділі показано некоректність методу виконання над зображеннями операції, близької до диференціювання другого порядку, шляхом записування на ПЧМС розфокусованого зображення з наступним відніманням сфокусованого. Тому пропонується масштабно-інваріантний метод одно- та двомірного просторового диференціювання зображень, що реалізується за допомогою двох оптичних клинів. Зміна віддалі між оптичними клинами не викликає зміни масштабу зображень та дозволяє уникнути похибок, що присутні в традиційних способах двомірного просторового диференціювання зображень і викликані зміною масштабу та люфтом проектувальних об’єктивів.

Для практичної реалізації цього методу розроблено оптико-механічний вузол, оптична схема якого показана на рис. 4.а. Він складається з двох однакових пов’язаних механічно між собою оптичних клинів і електроприводу. При реалізації просторового диференціювання зображень між клинами встановлюється віддаль (див. рис. 4,6), що вибирається оператором. Віддаль між оптичними клинами X визначає величину зміщення зображень £ :

(6)

де (и-І)-а- кут відхилення променя першим клином; а - кут клина (див. рис.

4,а); п - показник заломлення світла в матеріалі, з якого виготовлено клини.

Напрям зміщення задається поворотом клинів навколо оптичної осі пристрою обробки на відповідний кут. Двомірне диференціювання зображень здійснюється обертанням клинів навколо оптичної осі пристрою впродовж часу записування, при цьому період обертання клинів задається значно меншим за час записування, а величина (діаметр) розмиття становить 2) = 2Ь і визначає смугу просторових частот, що будуть придушуватись або підсилюватись за відповідної операцій' обробки. Найнижча частота V зі згаданої смуги визначається за виразом

у = 1/£ =- —г—(7)

2Х-^[(«-і)а]

Рис.4 Оптико-механічний вузол: а) - початкове положення клинів; б) - положення клинів під час реалізації одно- та двомірного просторового диференціювання, де віддалі між клинами X] відповідає зміщення і; та розмиття з діаметром О/=2/,/, а віддалі Х2 - відповідно зміщення Ь2 та розмиття з 02 =2Ь2.

Наведено характеристики оптико-механічного вузла, в якому клини виготовлені з оптичного скла К8 і мають кут а=3°.

В четвертому розділі описано принцип роботи і наведено оптичні схеми та технічні характеристики динамічного дешифратора стереозображень на основі ПЧМС ФОТОТІТУС та пристрою 03 на основі ФАРМ типу СЧМ-А2. їх

принциповою відмінністю від існуючих цифрових засобів 03 є простота алгоритмів обробки, реалізація яких забезпечується нескладними аналоговими апаратними засобами без залучення програмного забезпечення, наглядність і оперативність обробки, а також спостереженім динаміки проходження перетворень, що в сукупності забезпечує можливість функціонування в інтерактивному режимі» і максимального використання кваліфікованим спеціалістом-інтерпретатором своїх знань та досвіду для вирішення задач дешифрування. . .

Розроблений динамічний дешифратор стереозображень об’єднує як функції попередньої 03 для вирішення задач їх тематичного, в першу чергу геологічного, дешифрування, так і функції. дешифрування моно- і стереозображень на прозорій і непрозорій основах з нанесенням результатів дешифрування на фотоплан. Ефект, що виникає при бінокулярному стереоскопічному спостереженні двох майже ідентичних зображень, які відрізняються лише наявністю в одному з них деталі, котра відсутня в іншому, здатний значно підвищити виявлення змін, що відбулися з зображенням внаслідок його перетворення, та ефективність самого перетворення. Ця деталь, що не виділяється при звичайному порівнянні зображень, легко виявляється при стереоскопічному спостереженні, так як візуально вона здається розташованою в іншій площині, ніж основне зображення. При цьому структури, що виділилися, можна оперативно наносити на план-карту у вигляді кальки чи прозорої плівки, розташованої зверху одного з зображень (початкового) або навіть замість нього. Час перетворення зображень складає

1...6 с, величина операційного вікна - 60x60 мм2, кількість елементів розділення

- 1000x1000. '

■ Особливістю пристрою 03 на основі ФАРМ типу СЧМ-А2 є можливість ефективної обробки і візуального дешифрування фотографічних зображень високого розділення з форматом кадра <180x180 мм2. Час перетворення зображень складає 1...10 с, величина операційного вікна - 180x180 мм2, кількість елементів розділення - 5000x5000 при використанні записувального проектувального об’єктива ОКП2-ЮО з РЗ Rq~ 100 лін./мм.

Обидва засоби 03 передбачають можливість архівувати результати обробки за допомогою фотокамери або ПЗЗ-відеокамери для подальшого аналізу. В роботі даються експлуатаційні характеристики обидвох засобів 03, показано їх переваги та недоліки і рекомендації щодо практичного використання.

Наведено оптичну схему пристрою 03 на основі ФАРМ типу СЧМ-А2, що дозволяє поєднувати операції некогерентної і когерентної обробки, тобто операції попередньої обробки і кількісного аналізу зображень. Показано

перспективність гібридних оптико-цифрових систем для обробки зображень та

намічено напрямки їх подальших досліджень.

У додатках містяться методика 03 за допомого пристрою на основі

ФАРМ типу СЧМ-А2 та акти впровадження результатів роботи.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. На підставі порівняльного аналізу сучасного стану методів і засобів обробки та дешифрування зображень показано доцільність розробки засобів попередньої обробки зображень, які б надавали спеціалісту-інтернретатору максимальний набір перетворених зображень, що відрізняються за рангом інформативних структур. Розроблено вимоги до засобів попередньої обробки зображень в інформаційних інтерактивних системах.

2. Показано, що застосування оптико-електронних методів і засобів дозволяє

реалізувати сукупність операцій і алгоритмів попередньої обробки зображень, яка забезпечує можливість вирішувати широке коло задач їх тематичного, зокрема геологічного, дешифрування. Перевагою оптико-електронних засобів обробки зображень є простота як в плані вводу-виводу, так і в плані безпосередньої обробки та наглядності отриманих результатів і можливість об’єднати в одній системі операції попередньої обробки та кількісного аналізу. •

3. Досліджено доцільність і ефективність використання в оптико-електронних засобах обробки зображень просторово-часового модулятора світла ФОТОТІТУС та фотоанізотропного реєструвального матеріалу типу СЧМ-А2. Показано, що фотоанізотропний реєструвальний матеріал має високу роздільчу здатність та низькі оптичні шуми і може ефективно використовуватись в засобах когерентної та некогерентної обробки

7 зображень. -

4. Розроблено методику розрахунку оптимальних параметрів елементів оптичних схем для оптико-електронних засобів обробки -зображень. Показано, що такий розрахунок необхідно починати з визначення роздільчої здатності системи записувальний проектувальний об’єктив-реєструвальне середовище.

5. Запропоновано масштабно-інваріантний метод одно- та двомірного просторового диференціювання зображень та розроблено для реалізації цього методу оптико-механічний вузол, що складається з двох однакових механічно пов’язаних оптичних клинів і електропривода. Зміна віддалі між оптичними клинами не викликає зміни масштабу зображень та дозволяє уникнути похибок, що присутні в традиційних способах двомірного

просторового диференціювання зображень і викликані зміною масштабу зображень та люфтом проектувальних об’єктивів.

6. Розроблено методику попередньої обробки зображень для задач візуального

дешифрування за допомогою оптико-електронних засобів на основі фотоанізотропних реєструвальних матеріалів. Дана методика дозволяє спеціалісту-іктерпретатору візуально спостерігати як результат обробки (перетворення) зображень, так і динаміку самого перетворення, та безпосередньо керувати даним процесом. •1

7. Розроблено оптико-електронні засоби попередньої обробки зображень на

основі модулятора ФОТОТІТУС та фотоанізотропного матеріалу типу СЧМ-А2, досліджено ефективність їх роботи. Показано перспективність і унікальність оптико-електронних засобів обробки зображень під час роботи зі стереопарами. .

8. На основі використання фотоанізотропного реєструвального матеріалу запропоновано принципи побудови оптико-електронних кореляційних систем та засобів обробки зображень, що поєднують операції некогерентної і когерентної обробки.

9. Показано перспективність і наведено приклад реалізації гібридної оптико-цифрової кореляційної системи для аналізу бінарних зображень та запропоновано напрям дослідження таких систем для обробки та аналізу аерокосмозображень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Вороняк Т.І., Муравський Л.І., Бачевський P.C. Обробка зображень пристроями на основі фотоанізотропних реєструвальних матеріалів // Відбір і обробка інформації. - 1999. - №13. - С. 123-127 .

2. Leonid I. Muravsky, Taras I. Voronyak, Volodymyr M. Fitio, Mykhajlo V. Shovgenyuk. Transformed phase mask and photoanisotropic materials in optical correlators applied for security verification // Optical Engineering. - 1999. - № 38 (l).-P. 25-32.

3. Вороняк T.I. Використання фотоанізотропних реєструвальних матеріалів в кореляторах сумісного Фур’є-перетворення // Відбір і обробка інформації. -1999.-№13.-С. 128-132.

4. Муравський Л.І., Бачевський P.C., Вороняк Т.І. Досвід використати оптико-цифрових систем для вимірювання капілярних характеристик матеріалів // Фізико-хімічна механіка матеріалів. - 1997. - Т. 33, №5, - С.81-87.

5. Taras І. Voronyak, Roman S. Batchevsky, Leonid I. Muravsky. Using of optical astigmatic element in a delay and frequency multichanel acousto-optic devices for

signal optical processing // Proc. SPIE (Optoelectronic and Hybrid Optical/Digital Systems for Image Processing). -1997. - Vol. 3238. - P. 135-141.

6. Муравський JI.I., Кулинич Я.П., Вороняк .T.I., Фітьо В.М., Шовгенюк М.В. Ідентифікація трансформованих фазових масок в гібридному кореляторі сумісного Фур’є-перетворення при оптичному захисті документів // Фізичні метода та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. - Київ-Львів. -1999.-С 119-121.

7. Муравський Л.І., Вороняк Т.І., Фітьо В.М., Куць О.Г. Оптико-цифровий спектрофотометр для спектрального експрес-аналізу біологічно-активних середовищ // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. - Київ-Львів. - 1999. - С. 122-125.

.8. Muravsky, Leonid I.; Kulynych, Yaroslav P.; Voronyak, Taras I.; Fitio, Wolodymyr М.; Kostyukevich, Sergey A. Transformed phase mask in a hybrid joint transform correlator for security verification // Proc. SPIE (Algorithms, Devices, and Systems for Optical Information Processing III). - 1999.- Vol. 3804. - P. 233-240.

9. Muravsky L.I., Shovgenyuk M.V., Kulynych Y.P., Voronyak T.I., Fitio T.V.. Hibrid joint transform correlator for optical security // Proc. SPIE (Photonics, Devices, and Systems). - 2000.- Vol. 4016. - P. 430-434.

10. Муравський Л.І., Вороняк Т.Ї., Кулинич Я.П., Максименко О.П.. Побудова кореляційних систем оптичного захисту цінних паперів на базі архітектури корелятора сумісного перетворення Фур’є // Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. - Київ-Львів. - 2000. - С. 183-187.

11. Патент України, МПК 6 G Об К .9/00; Пристрій обробки зображень / Бачевський Р.С., Вороняк Т.1., Муравський Л.І. - № 97063051; заявл. 24.06.1997; Рішення про видачу патенту на винахід № 1886 від 31.01.2000.

12. Бачевский ■ Р.С., Вороняк Т.И., Куць А.Г., Муравский Л.И. Широкоформатная высокоразрешающая система совмещенного ввода и вывода изображений для ЭВМ // 16 научно-технич. конф. “Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов”. Хезисы докл.-М.гВНИИОФИ,- 1993.-С. 43.

13. Kulynych Y.P., Voronyak T.I., Maksymenko О.Р. Principles of desing of an Optical/Digital Systems for the Hign-temperature melt interfacial tension measurement // International workshop “ Optoelectronic and Hybrid Optical/Digital Systems for Image/Signal Processing - ODS’99”. - Lviv, UKRAINE. - 1999. - P.21.

Вороняк Т.І. Розробка оптико-електронних спеціалізованих засобів обробки зображень в інформаційних інтерактивних системах.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 - інформаційно-вимірювальні системи. - Фізико-механічний інститут ім Г.В.Карпенка НАН України, Львів, 2000.

Розроблено принципи побудови оптико-електронних спеціалізованих засобів обробки зображень в інформаційних інтерактивних системах, що призначені для автоматизації та підвищення достовірності процесу візуального тематичного дешифрування аеро- та космофотографічних зображень. Робота запропонованих засобів ірунтується на використанні реверсивних фотореєструвальних середовищ. Досліджено ефективність використання в таких засобах просторово-часових модуляторів світла та фотоанізотропних матеріалів, розроблено методику розрахунків оптимальних параметрів елементів оптичних схем для даних засобів та запропоновано масштабно-інваріантний метод одно- та двомірного просторового диференціювання зображень. Досліджено технічні характеристики розроблених інтерактивних оптико-електронних засобів попередньої обробки, що можуть працювати з окремими зображеннями та стереопарами, і використовуватись автономно та в комплексі з цифровими засобами.

Ключові слова: обробка зображень, оптико-електронні засоби,

нросторово-часовий модулятор світла, фотоанізотропний матеріал, роздільча здатність, частотно-контрастна характеристика.

Вороняк Т.И. Разработка оптико-электронных специализированных средств обработки изображений в информационных интерактивных системах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 - информационно-измерительные системы. -Физико-механический институт им. Г.В.Карпенко НАН Украины, Львов, 2000.

Разработано принципы построения оптико-электронных специализированных средств обработки изображений в информационных интерактивных системах. Эти средства предназначены для автоматизации и повышения достоверности процесса тематического дешифрирования фотографических широкоформатных изображений высокого разрешения, в частности аэрокосмоснимков. Показана целесобразность и перспективность разработки интерактивных систем обработки изображений, в которых ключевую роль играет квалифицированный специалист-интерпретатор.

Работа оптико-электронных специализированных средств обработки изображений основана на использовании реверсивных фоторегистрирующих

сред. В работе исследована эффективность использования в таких средствах пространственно-временных модуляторов света и фотоанизотропных материалов. Разработана методика расчёта оптимальных параметров элементов оптических схем для этих средств. Предложено начинать такой расчет с определения разрешающей способности’ системы проекционный записывающий объектив-фоторегистрирующая среда.

Предложен масштабно-инвариантный метод одно- и двумерного пространственного дифференцирования изображений. Для практической реализации этого метода разработан оптико-механический узел, который состоит из двух одинаковых механически связанных оптических клиньев и электропривода. Изменение расстояния между оптическими клиньями не приводит к изменению масштаба изображений и позволяет избежать погрешностей, которые имеют место в традиционных способах двумерного пространственного дифференцирования изображений и вызваны изменением масштаба изображений и мертвым ходом проекционных объективов. '

Разработана методика предварительной обработки изображений для задач визуального дешифрирования оптико-электронными средствами на основе пространственно-временного модулятора света ФОТОТИТУС и фотоанизотропных материалов типа СЧМ-А2. Показана перспективность и уникальность оптико-электронних средств обработки изображений при работе со стереопарами.

Исследованы технические характеристики разработанных интерактивных оптико-электронных средств обработки изображений, которые М017Т работать как с отдельными снимками так и стереопарами. Такие средства могут использоваться автономно для предварительной обработки и динамического визуального дешифрированния, а также в комплексе с цифровыми вычислительными средствами. В них предусмотрена возможность архивировать результаты обработки изображений при помощи фотокамеры или ПЗС-видеокамеры для дальнейшего анализа. Показано, что при помощи таких средств, на основе фотоанизотропных регистрирующих материалов, можно эффективно осуществлять параллельную обработку фотографических изображений высокого разрешения с форматом кадра < 180х 180 мм2.

На основании проведенных исследований информационнодинамических и технических характеристик фотоанизотропных материалов разработаны принципы их использования в оптико-электронных корреляционных системах обработки изображений а также предложено использовать материалы типа СЧМ-А2 в оптико-электронных средствах, которые объединяют операции предварительной обработки и количественного анализа изображений. Показана перспективность и приведено пример

реализации гибридной оптико-цифровой кореляционной системы анализа бинарных изображений, предложено направление исследования таких систем для обработки и анализа аэрокосмоснимков.

Ключевые слова: обработка изображений, оптико-электронные средства, пространственно-временной модулятор света, фотоанизотропный материал, разрешающая способность, частотно-контрастная характеристика.

Voronyak T.I. Engineering of optical-electronic special devices of image processing in information interactive systems - Manuscript.

Thesis for the candidate’s degree in technical sciences on a speciality 05.11.16

- informational-measuring system. Institute of physics and mechanics named G.V. Karpenko, National Academy of Scicnces of Ukraine, Lviv, 2000.

The principles of construction of the optical-electronic devices for image processing in information interactive systems are developed. They are intended for automation and raise of certainty of airborne and space images thematic processing. The activity of the offered ways is based on the use of reversible photorecording mediums. The performance of the spatial light modulators and photoanisotropic materials is investigated in such devices. The calculation technique of optimum parameters of the optical schemes elements for the given devices is developed. The scaled-invariant method of one and two-dimensional spatial derivation of images is offered. The characteristics of the developed interactive optical-electronic processing devices are studied.

Key words: image processing, optical-electronic devices, the spatial light modulator, photoanisotropic material, resolution, frequency-contrast characteristic.