CC BY
42
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
УДК 535.41
М.М. Кузнецов, О.К. Ушаков, В.М. Тымкул, М. Ф. Носков СГГ А, Новосибирск
ПОВЫШЕНИЕ КОНТРАСТА
И ИНФОРМАТИВНОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ И ПРОСТРАНСТВЕННО-УГЛОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Предлагаемый в настоящей работе метод псевдоцветового кодирования изображений основан на том, что до настоящего времени большая часть любой информации, в том числе интерферограмм, оценивается визуально, а контрастная чувствительность глаза к изменениям цвета на два порядка превышает чувствительность глаза к изменениям интенсивности.
псевдоцвета, интерферограмма, информация.
M.M. Kuznetsov, O.K. Ushakov, V.M. Tymkul, M.F. Noskov SSGA, Novosibirsk
INCREASE OF CONTRAST AND INFORMATION IMAGES ON THE BASIS OF THE SPECTRAL AND SPATIALLY-ANGULAR FILTRATION OF RADIATION
The method of pseudo-color coding offered in the present work from-brazheny is based that till now the most part of any in-formation, including interferograms, is estimated visually, and contrast sensitivity of an eye to color changes on two order exceeds chuvstvi-telnost eyes to intensity changes.
pseudo-colors, interferogram, information.
Принцип действия предложенного метода состоит в следующем: известно, что пропущенный фотопленкой свет содержит две составляющие: регулярную, которая сохраняет направление первоначального распространения и первоначальную когерентность, и диффузную, которая некогерентна и распространяется в пределах некоторого телесного угла, с угловым распределением, которое формируется индикатрисой рассеяния.
Сквозь самые светлые полосы интерферограммы, соответствующие минимумам интерференционной картины для негативного фотоматериала, пройдет свет преимущественно с регулярной структурой, а сквозь сильно экспонированные участки, соответствующие максимумам интерференции, свет не пройдет вообще, и только участки на границе светлых и темных полос дадут диффузную составляющую, распространяющуюся во все стороны [1].
Оптическая схема устройства для анализа интерферограмм и изображений других объектов представлена на рис. 1 и содержит: 1 - источники света; 2 -коллимирующие объективы; 3 - светофильтры; 4 - предметный стол микроскопа, 5 - объектив микроскопа; 6 - окуляр микроскопа.
Оптико-физическое обоснование метода следующее.
96
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
С учетом рис. 2, рассмотрим следующие параметры транспаранта, спектральных фильтров, источника подсветки и приемной видеокамеры:
А 0 (а, в) - площадь входного зрачка и углы мгновенного поля зрения видеокамеры;
Тф^Х) - спектр коэффициента пропускания i-го фильтра;
S, S(X) - интегральная и спектральная чувствительность приемника излучения видеокамеры;
Хф = 0) - среднее значение индикатрисы рассеяния интерферограммы при угле освещения ф = 0 по апертуре видеокамеры;
Хф) - среднее значение индикатрисы рассеяния интерферограммы при произвольном угле освещения по апертуре видеокамеры;
ха(Л^); хв(Л^) - спектральные коэффициенты пропускания интерферограммы (транспаранта) в точках А и В;
(j, i); (n, k) - декартовые координаты точек А и В;
E0(х); Е0 - спектральная и интегральная освещенность в пространстве «тыльной» стороны транспаранта;
N - множитель, численно равный N = (1/п) А0 ар.
Рис. 1. Оптическая схема устройства для оконтуривания интерференционных полос
Рис. 2. Геометрия освещения и наблюдения исследуемого транспаранта: а) схема для анализа метода; б) схематическое представление участков транспаранта
97
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
На основании работ [2, 3] рассмотрим следующее.
При наблюдении транспаранта видеокамерой в интегральном свете значение контраста можно определить как:
К
Ua - Ub Ua +Ub
(1)
где величины видеосигналов равны:
Ua = (1/п) AoapEoSxA /л (Ф = 0); (2)
Ub = (1/п) Ao apEoSTB /в(ф = 0). (3)
Рассмотрим ситуацию, когда тА ~ тВ; /л(ф = 0) ~/В(ф = 0) и Ua ~ Ub, то есть К ^ 0.
Тогда процедура синтеза спектральной и пространственной (угловой) фильтрации формирует спектральный контраст К(ДХ):
К(дХ) = Ua(I,.j, АХ) - UB(n, k, АХ)
К( АХ) Ua (I, j, АХ) +Ub(«, k, АХ) ’
(4)
где
Ua (j, I, АХ) = (1/n)AoaP Eo(Xi)S(AXi) ta(AXi, I, j) /А (ф = 0) +
+ (1/n)AoapEo(Х2) S(AX2) Ta(AX2, I, j)/л(ф) ^ф Тф(АХ2); (5)
Ub(«, k, АХ) = (1/n)Aoap Eo(Х1) S(AX 1) Тв(АХ 1, n, k)/в(ф = 0) +
+ (1/n)Aoap Eo(Х2) S^2) Тв(АХ2, n, k) /л(ф) cosф Тф(АХ2). (6)
Обозначим числитель в формуле (4) в виде:
AUab =N [Eo(Хl) S(ДХ 1) та(АХ 1) Тф(АХ 1)/А(ф = 0) +
+ Eo(^) S^) Тл (АХ 2) Тф(АХ 2) /л(ф) cosф - Eo(Х 1) S(A1 1) Тв (АХ1) Тф (АХ 1) /в (ф = 0) -
- Eo^) 3(АХ 2) Тв(АХ 2) Тф(АХ 2)/В(ф) cosф] = N (Eo^) S(ДХ 1) Тф(АХ 1) [Тл(АХ 1) /л(ф =
o) -
- Тв(АХ0/в(ф = 0)] + Eo^) S(АХ2) Тф(АХ2) [тл(АХ2)/л(ф) соБф - Тв(АХ2)/в(ф) соБф]} = Uo(Хi) [та(АХ 1) - Тб(АХ0/в(ф = 0)] + Цэ(Х|) [та(АХ2)/л(ф) - Тб(АХ2)/в(ф)] ■ cosф.
(7)
В свою очередь, знаменатель в (4) равен:
98
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Uz = Uo(Х 1) [ta(A^i)f(ф - 0) + тв(АХi)f(ф - 0)] + +Uo (^2)[ta(AX 2) /а (ф) + Тв(АХ 2) fB (ф)] еоБф.
Тогда выражение для спектрального контраста принимает вид:
(8)
[^(A/.i)X<(o ^ 0) - ТдСА/.^/вСо = 0)] + [т^(А/.2)Д(о] - тд(Л/.2) Jfrtefl] cos о (9)
- ) ~ [тЛЛЛхЩо = 0) + тя(Д/.1)/в(о = о)] + [т/Дл.2Ш°3 + ^(Д/.2)/в(о)] i '
COSO
На основании (1)-(3) контраст в интегральном свете равен:
К
тА + тв
Спектральный контраст удовлетворяет условию
К(АХ) > К.
(10)
Проанализируем количество информации в интегральном свете в соответствии с теорией, изложенной в работах [4, 5].
Имеем:
H = log2M;
M = (С ■ Э)
К-Кп
(11)
(12)
где С, Э - количество строк и элементов строки в изображении интерференционной картины.
H = (К - Кп) log2 СЭ. (13)
После спектральной и пространственной фильтрации, так как наблюдается рост контраста изображения, можно записать
Hai = (Kax - Кп) log2Ca (14)
Повышение количества информации оценим отношением
HАХ = КАХ - Кп
H К - Кп
(15)
где Кп - пороговый контраст, который для глаза равен 0,02-0,03.
Расчеты, проведенные по формулам (9) и (14), при условии высокого и низкого контрастов исходного изображения показали рост количества информации в полученном при помощи данного способа изображении.
99
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Визуальный рост контраста изображений интерференционной картины, обработанной при помощи данного метода, представлен на рис. 3.
Рис. 3. Исходная интерферограмма и интерферограмма в псевдоцветах, увеличение 56х
Выводы
1. Количество информации Н по Хартли, которое воспринимается видеокамерой увеличивается за счет эффекта роста наблюдаемого контраста, реализуемого спектрально-пространственной фильтрацией.
2. За счет наблюдения интерферограммы в псевдоцветах повышается информативность наблюдаемых изображений, под которой понимается визуальное разрешение и восприятие глазом или приемной видеокамерой.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Носков, М.Ф. Выделение малоконтрастных элементов на фотографических снимках / М.Ф. Носков, И.Н. Белоус, М.С. Комбаров, М.М. Кузнецов // Сб. матер. междунар. науч. конгресс «ГЕО-Сибирь-2006», 24-28 апреля 2006 г., г. Новосибирск, т. 4. - Новосибирск: СГГА, 2006. - С. 114-117.
2. Якушенков, Ю.Г. Теория и расчет ОЭП: учебник для вузов / Ю.Г. Якушенков. - Изд-е 4-е, перераб. и доп. - М.: Логос, 1999. - 360 с.
3. Тымкул, В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета: учеб. пособие / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул. - Новосибирск: СГГА, 2005. -215 с.
4. Хартли, Р. Передача информации. Теория информации и ее приложение / Р. Хартли. -М.: Физматгиз, 1959. - 328 с.
5. Шеннон, К. Математическая теория связи. Работы по теории информации и кибернетике / К. Шеннон. - М.: Изд-во иностран. литературы, 1974. - 264 с.
Получено 15.12.2010
© М.М. Кузнецов, О.К. Ушаков, В.М. Тымкул, М.Ф. Носков, 2010
М.М. Кузнецов - доцент кафедры технологии оптического производства.
Тел.: 8-913-921-44-39.
О.К. Ушаков - канд. техн. наук, директор Института оптики и оптических технологий. Тел.: 344-40-58. Факс: +7(383)344-40-58. E-mail: [email protected]
В.М. Тымкул - канд. техн. наук, профессор кафедры оптико-электронных приборов.
М.Ф. Носков - докт. техн. наук, профессор кафедры радиоэлектроники.
100
