Компьютерное моделирование формирования цветного изображения на матричных ПЗС-приемниках

Оптические приборы все прочнее входят в нашу повседневную жизнь и профессиональную деятельность. Если раньше ассортимент массово производимых оптических устройств, предназначенных для широкого круга потребителей, был сравнительно небольшим, то в последние годы их становится все больше. Многие современные бытовые и офисные приборы построены на оптическом принципе или имеют в своем составе оптические элементы. При этом если ранее многие устройства подобного рода работали с монохромным оптическим изображением, то большинство современных приборов имеют дело уже с цветным. Это огромный класс устройств, начиная от игрушек, фото и видеокамер и заканчивая компьютерной периферией, системами безопасности и коммуникаций. Таким образом, сейчас сформировался огромный класс оптических приборов (таких, как микроскопы, измерительные приборы, фото-, кино-, телеи видеотехника и т. п.) предназначенных для формирования и регистрации цветного оптического изображения [18, 25, 75, 87].

Большие изменения происходят так же и в области регистрации изображения. Ранее в большинстве из рассматриваемых приборов для регистрации изображения использовались различные фотоматериалы или непосредственно глаз человека. Сейчас все большее распространение получают полупроводниковые приемники изображения, такие как ПЗС (iприборы с зарядовой связьюв английской аббревиатуре — CCD, chargecoupled devices) и КМОП (комплиментарная структура метал-оксид-полупроводник', в английской аббревиатуре — CMOS, complementary metal-oxide-silicon) [15, 18, 87]. Появление таких приемников совершило настоящую революцию в области регистрации изображения и оказало большое влияние на многие отрасли современной промышленности [15]. В первую очередь огромное воздействие ПЗС оказали еще в конце 70-х, начале 80-х годов прошлого века на астрономию. Там их появление по степени влияния сравнимо с тем, которое оказало применение в качестве средства регистрации фотопластинок вместо человеческого глаза (собственно, именно астрономия стала той первой отраслью человеческой деятельности, где традиционная фотоэмульсия уступила место кремнию). С другой стороны, и требования, предъявляемые астрономией, особенно космического базирования, к ПЗС, стимулировали развитие технологии их изготовления, и ныне приборы с числом элементов в несколько мегапикселов и с квантовым выходом около 90% уже не являются экзотикой. Ну и, наконец, микроскопия в медицине и биологии, компьютерное зрение и видеоконференции, системы ориентации космических аппаратов и считыватели штрих-кода, телефакс, сканер и многие другие современные приборы — всё это тоже стало возможным и доступным благодаря ПЗС [87].

В настоящее время невозможно себе представить разработку оптических приборов без использования программных пакетов автоматизированного проектирования. Одной из важнейшей возможностей программ подобного рода является анализ качества изображения, необходимый для проведения эффективного проектирования и дальнейшей оптимизации. Такой анализ по своей сути представляет собой моделирование работы проектируемого объекта с целью определения его характеристик. В настоящее время процедура анализа чаще всего реализуется как математическое, компьютерное моделирование [28−29]. Наиболее мощными и широко используемыми в мире на данный момент автоматизированными системами проектирования оптики являются: OSLO разработанная Lambda Research, CODE V созданный Optical Research Associates, Zemax производства Focus Software и Synopsys разработки Optical Systems Design Incorporated [84, 89, 92, 93].

При проектировании и оптимизации обозначенного ранее класса оптических приборов, имеющих дело с цветным изображением, используются полихроматические характеристики качества полихроматическая функция рассеяния точки (ФРТ) и полихроматическая оптическая передаточная функция (ОПФ)). Однако моделированию цветного изображения в существующих системах автоматизированного проектирования оптики как видно из таблицы 1 уделяется мало внимания. Причинами, возможно, являются недостаточная вычислительная мощность компьютеров предыдущих поколений и относительная субъективность анализа подобного рода.

Таблица 1 Возможности программных пакетов автоматизированного проектирования оптики по анализу качества цветного изображения.

Программный пакет Полихроматическая ФРТ и ОПФ Цветная ФРТ Цветное геометрическое изображение Цветное дифракционное изображение.

OSLO LT О О О.

CODE V S о о о.

Zemax S о о.

Synopsys s О о о.

Таким образом, исследование специфических вопросов формирования изображения на матричном приемнике и разработка математических моделей процесса формирования цветного изображения на таких приемниках, которым посвящена данная диссертационная работа, представляются весьма актуальными.

Целью диссертационной работы является разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения для компьютерного моделирования формирования цветного изображения на матричных ПЗС-приёмниках с учетом всех факторов.

При выполнении диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

• Развитие модели формирования некогерентного изображения для анализа формирования цветного изображения с учетом различных факторов (аберрации, спектральная эффективность).

• Разработка модели формирования изображения матричным ПЗС-приёмником.

• Развитие математической модели формирования протяжённого изображения, и её представление в виде пригодном для эффективной численной реализации.

• Обеспечение универсальности и совместимости алгоритмов для реализации в виде единой процедуры моделирования формирования цветного изображения на матричных ПЗС-приёмниках.

• Программная реализация и исследование разработанной модели формирования изображения.

При выполнении диссертационной работы необходимо использовать следующие методы исследования:

• Методы дифракционной теории формирования изображений в оптических системах при некогерентном освещении.

• Аналитические и численные методы теории аберраций и аппарат вычисления ортогональных полиномов Цернике.

• Методы цифровой обработки сигналов, сдвиговое дискретное преобразование Фурье и быстрые алгоритмы его вычисления.

Структурно диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключительного раздела и двух приложений, а также списка использованной литературы.

Выводы.

Приведенные в этой главе результаты моделирования формирования цветного изображения, полученные с помощью разработанного пакета исследовательских программ хорошо согласуются с теоретически ожидаемыми. Это позволяет считать модель формирования цветного изображения верифицированной и достаточно адекватной. Моделирование формирования изображения на матричных приемниках, в том числе протяженных размеров, также дает вполне ожидаемые результаты.

Даже та небольшая подборка результатов, которые представлены в данной главе, позволяет оценить потенциальную практическую ценность математической и компьютерной модели, построенной в диссертационной работе.

С помощью пакета исследовательских программ можно не только изучить влияние различных факторов в процессе формирования цветного изображения на матричном приемнике, но и промоделировать формирование изображения в реальных оптических приборах и произвести назначение допусков при их проектировании.

Заключение

.

В данной диссертационной работе разработана полная и эффективная математическая модель формирования цветного изображения на матричном ПЗС-приемнике.

Модель формирования цветного изображения, предложенная в работе, строится на основе модели формирования некогерентного изображения. Она позволяет учитывать влияние различных факторов (аберрации, спектральная эффективность) на качество оптического изображения. Предложенная математическая модель сформулирована таким образом, что для эффективной численной реализации можно использовать быстрый алгоритм вычисления сдвигового дискретного преобразования Фурье.

Разработана модель формирования оптического изображения на матричном приемнике, которая позволяет учитывать геометрический (размер и шаг ячеек матрицы) и спектральный (спектральная чувствительность ячеек) факторы воздействия такого приемника на регистрируемое им изображение.

В диссертационной работе предложена методика моделирования формирования изображения протяженных размеров. Она является развитием модели формирования изображения неизопланатическим оптическим прибором, однако в отличии от нее полностью готова к эффективной численной реализации.

Все предложенные в диссертационной работе модели и алгоритмы являются в высокой степени универсальными и полностью совместимы друг с другом. Это позволяет объединить их в единую процедуру моделирования формирования цветного изображения на матричных ПЗС-приемниках.

Математическая модель формирования цветного изображения на матричных приемниках адаптирована для эффективной численной реализации на основе использования быстрых алгоритмов. Применение быстрых алгоритмов и эффективное построение вычислительного процесса позволили существенно повысить вычислительную производительность методики вычисления распределения интенсивности цветного изображения на матричном приемнике.

На основе предложенной математической модели разработан пакет исследовательских программ, предназначенный для моделирования формирования цветного изображения на современных матричных приемниках, который может использоваться для исследования качества изображения формируемого оптическим прибором и его оптимизации на персональном компьютере.

Таким образом, задачи, поставленные в данной диссертационной работе можно считать выполненными.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

• Математическая модель формирования цветного «воздушного» изображения с учетом влияния аберраций и спектрального пропускания оптической системы.

• Математическая модель регистрации изображения матричным приемником с учетом его геометрических (размеры и расположение элементов) и спектральных (спектральная чувствительность) характеристик.

• Математическая модель формирования изображения протяжённого объекта путём зонального представления функции рассеяния точки.

• Методика компьютерного моделирования формирования цветного протяжённого изображения на матричном приемнике.

В ходе выполнения работы были получены следующие оригинальные научные результаты:

• На основе модели формирования некогерентного изображения разработана методика моделирования формирования цветного.

• Предложена методика анализа цветного трёхканального изображения.

• Разработана модель формирования цветного изображения на матричном приёмнике с учётом влияния геометрического и спектрального факторов.

• Предложена методика моделирования формирования изображения протяженных объектов с представлением функции рассеяния точки в кусочном виде.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

• Разработан набор алгоритмов и реализующих их исследовательских программных модулей для моделирования формирования цветного изображения на матричных приёмниках и его последующей визуализации для анализа.

• Пакет исследовательских программ, созданный на основе этих модулей, может использоваться для анализа характеристик качества оптических систем, формирующих цветное изображение дифракционного качества.

• Пакет исследовательских программ позволяет проводить исследования влияния различных факторов на формирование изображения оптической системой и производить назначение допусков при проектировании оптических приборов.

• Разработанные программные модули существенно обогатят возможности систем автоматизированного проектирования оптики при анализе современных оптических приборов, формирующих и регистрирующих цветное изображение.

Программа моделирования формирования цветного изображения имеет также методическую ценность и используется в учебном процессе.

87 при изучении дисциплин «Компьютерное моделирование и обработка изображений», «Компьютерные системы в оптике», «Введение в компьютерную оптику» .

Представленная диссертационная работа представляет хороший задел для продолжения моделирования и исследования формирования оптического изображения с учетом влияния различных факторов. Пакет исследовательских программ является хорошим прототипом полноценного программного продукта моделирования и анализа качества изображения, формируемого оптической системой, разработку которого предполагается осуществить в будущем.