Зеркальная стереосистема с пространственным разделением изображений
Схемы построения стереоизображения, которые используются в системах распознавания изображений различного применения. Анализ преимуществ зеркального варианта стереосистемы с пространственным разделением изображений. Механизм функционирования системы.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 30.01.2016 |
| Размер файла | 2,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного
Знамени государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
на тему:
"Зеркальная стереосистема с пространственным разделением изображений"
Студент: Воронова Е.М.
Группа: РЛ2-92
Преподаватель: Лушин Ю.А.
Москва 2014 г.
Содержание
- Введение
- 1. Теоретическая часть
- 1.1 Функциональная схема
- 1.2 Параметры объекта
- 1.3 Параметры фона
- 1.4 Параметры оптической системы
- 1.5 Параметры МПИ
- 2. Габаритный расчет
- 2.1 Параметры оптической системы
- 2.2 Выбор МПИ
- 2.3 Выбор объектива
- 3. Энергетический расчет
- 3.1 Выбор осветительного оборудования
- 3.2 Преобразование оптических сигналов в ОЭС изображающего типа
Введение
Cуществует большое количество вариантов схем систем построения стереоизображения, которые используются в системах распознавания изображений различного применения. Например, схема линзовой стереосистемы с пространственным разделением изображений. Недостатком линзовой стереосистемы является необходимость использования дополнительной линзы, которая вносит дополнительные аберрации, для согласования зрачков базового объектива и объектива видеокамеры. Поэтому в данном проекте на основании анализа существующих современных стереосистем предложена "Зеркальная стереосистема с пространственным разделением изображений”. Зеркальный вариант стереосистемы с пространственным разделением изображений обладает рядом преимуществ: малыми габаритами и повышенным качеством изображения. Два разнесенных изображения объекта переносятся на один матричный приемник за счет наклона зеркал. Использование двух матричных приемников усложняет систему за счет сложной юстировки и искажений при совмещении полученных изображений.
зеркальная стереосистема разделение изображение
1. Теоретическая часть
Рисунок 1 - Функциональная схема зеркальной стереосистемы с пространственным разделением изображений
1.1 Функциональная схема
Принцип работы функциональной схемы:
Излучение от объекта через две симметричные относительно оптической оси стереоскопические насадки и два входных зрачка попадает в базовый объектив - сферическое зеркало. Первое зеркало перископических насадок расположено под углом к оптической оси стереосистемы. Для получения двух пространственно разделенных изображений объекта в задней фокальной плоскости базового объектива, формируемых через два зрачка диафрагмы (т.е. под разными ракурсами), второе зеркало насадок располагают под углом к оптической оси. Затем два пространственно разделенных разноракурсных изображения переносятся наклоненными зеркалами в бесконечность, так как их фокальные плоскости совмещены с фокальной плоскостью базового зеркала. При этом один из главных лучей изображений совпадает с оптической осью системы. Угол между оптическими осями наклоненных зеркал обеспечивает совмещение изображений зрачков. На рис.2 представлена расчетная схема стереосистемы для одного ракурса. Оптическая схема рассчитывается из условия направления главного луча, входящего в стереосистему под углом W к оптической оси стереосистемы, на базовое зеркало параллельно оптической оси стереосистемы: . Это обеспечивается за счет разворота малого зеркала перископической насадки на угол . При таком угле два разноракурсных изображения пространственно разделяются.
Рисунок 2 - Расчетная схема с ходом главных лучей
1.2 Параметры объекта
В нашем случае объектом будет являться лицо человека. С помощью нашей оптической системы мы обеспечиваем регистрацию лица человека в диапазоне дальностей .
Тип ОЭС:
изображающие ОЭС, работающие в режиме распознавания, в которых площадь изображения объекта в несколько раз больше площади элемента МПИ ;
Модель объекта
В качестве модели объекта принимается эквивалентная гармоническая амплитудная решетка на равномерном фоне.
Тип объекта - диффузный отражающий (значит равнояркий, освещаемый);
Параметры объекта (геометрические параметры):
дальность объекта ;
размеры объекта ;
пространственная частота объекта .
Для изображающей ОЭС число периодов решетки составляет
Коэффициент передачи модуляции объекта
Энергетические параметры
спектральная плотность освещенности объекта
спектральная плотность светимости отражающего объекта
Температура нагретого объекта
спектральная плотность светимости нагретого объекта
1.3 Параметры фона
Геометрические параметры
– размеры фона много больше размеров объекта ;
– структура фона - однородный.
энергетические параметры
– отражающий фон
– спектральная плотность светимости отражающего фона
Контраст (коэффициент модуляции) объекта на фоне
1.4 Параметры оптической системы
– фокусное расстояние ;
– увеличение ;
– диаметр зрачка ;
– функция рассеяния ;
– модуляционная передаточная функция .
Параметры изображения, геометрические параметры
– размеры изображения объекта ;
– пространственная частота изображения объекта
.
Энергетические параметры
– спектральная плотность освещенности изображения объекта ;
– интегральная освещенность изображения объекта ;
– контраст изображения
1.5 Параметры МПИ
Геометрические параметры
– размеры матрицы ;
– размеры элемента матрицы ;
Энергетические параметры
– модуляционная передаточная функция элемента МПИ
;
– контраст выборки изображения
– пороговая освещенность ;
отношение сигнал - шум
;
2. Габаритный расчет
2.1 Параметры оптической системы
– фокусное расстояние =76 мм;
– увеличение = ;
– поле зрения системы:
– диаметр зрачка =8,7 мм;
Обозначим расстояние между большими плоскими зеркалами (база) . Размеры большого плоского зеркала: . Размеры маленького плоского зеркала: . Расстояние между базовым зеркалом и наклоненными зеркалами определяется из условия совмещения их фокусов, то есть равно сумме их фокусных расстояний . Примем радиусы базового и наклоненного зеркал , , следовательно
, .
Главный луч, вошедший в стереосистему под углом + W, падает на базовое зеркало под углом W гл= 0 и после отражения пересекает оптическую ось в фокусе базового зеркала. Таким образом, промежуточное изображение объекта формируется смещенным относительно оптической оси стереосистемы, а крайняя точка изображения расположена на оптической оси стереосистемы. Главный луч, входящий в стереосистему под противоположным углом - W, пересекает оптическую ось стереосистемы на поверхностях наклоненных зеркал в точке пересечения их оптических осей под углом, равным 2 W.
Из всего этого следует, что расстояние между центром входного зрачка и оптической осью стереосистемы:
Расстояние между зеркалами
Примем - расстояние от центра малого зеркала перископической насадки до базового зеркала тогда расстояние центра этого зеркала до оптической оси:
Угол наклона оптической оси малого сферического зеркала к оптической оси стереосистемы .
Угол между оптическими осями наклоненных зеркал к оптической оси стереосистемы равен угловому полю стереосистемы:
2.2 Выбор МПИ
Для регистрации пространственно разделенных двухракурсных изображений с высокой разрешающей способностью требуется матричный приемник излучения (МПИ) с увеличенными размерами по сравнению со стандартными размерами матриц видеокамер. Поэтому стереосистема должна содержать цифровую камеру с большим количеством элементов. Размеры каждого из регистрируемых изображений не должны превышать половину размеров МПИ, а именно, .
Использование одной матрицы позволяет избавиться нам от сложной юстировки двух матриц и объектива, что осложняет задачу, а, соответственно избавляет нас от проблемы несовмещения двух изображений от объекта. На основе анализа информации об имеющихся на рынке матрицах была выбрана матрица Super CCD SR Pro (Charge Coupled Device - прибор с зарядовой связью (ПЗС)) компании Fuju Photo Film. Матрица Super CCD SR FUJIFILM FinePix S3 Pro размером 23,0 x 15,5 мм обеспечивает получение высококачественных изображений с разрешением до 4256х2848 (12 миллионов) пикселов. Один фотодатчик состоит из 2 пикселей: S - типа (6,14млн),R-типа (6,17 млн).
– http://www.comprice.ru/articles/detail. php? ID=40275размеры матрицы = ;
– размеры элемента матрицы ;
– число эффективных пикселей: 4256x2848ч;
– пороговая освещенность =;
2.3 Выбор объектива
Нам подходит объектив марки Canon EF-S 15-85mm f/3.5-5.6 IS USM, поясним по каким причинам:
Матрица Fujufilm FinePix S3 Pro с размером изображения , относится к матрице с диагональю в видиконовых дюймах "APS-C”.
Advanced Photo System type-C (APS-C) - формат сенсора цифровых фотоаппаратов, эквивалентный "классическому" формату (type-C от Сlassic) Advanced Photo System, размер которых составляет 25,1Ч16,7 мм (пропорции 3: 2).
Сенсоры формата APS-C устанавливаются в основном на зеркальные цифровые фотоаппараты, хотя их можно найти на фотокамерах других классов. Все сенсоры APS-C меньше, чем плёночный стандарт 35мм (36Ч24 мм). Их размеры варьируют между 20,7Ч13,8 мм и 25,1Ч16,7 мм и соответствуют значениям кроп-фактора от 1,74Ч до 1,44Ч.
Байонет Canon EF-S - разновидность байонета EF, разработанный компанией Canon для цифровых фотоаппаратов серииCanon EOS с матрицей формата APS-C. Фотоаппараты с креплением EF-S полностью совместимы со всеми объективами EF, а объективы с креплением EF-S не совместимы с фотоаппаратами, имеющими байонет EF.
Буква "S" в названии означает "Short back focus". Это подразумевает, что задний оптический элемент объектива EF-S расположен ближе к светочувствительному сенсору, чем в малоформатных (24Ч36 мм) зеркальных фотоаппаратах. У фотоаппаратов с уменьшенным сенсором размер поднимающегося зеркала тоже меньше, что, с одной стороны, позволяет приблизить задний элемент объектива к фокальной плоскости, а с другой - исключает установку такого объектива на плёночный фотоаппарат или цифровой с более крупным, чем APS-C, сенсором.
Рисунок 3 - Объектив Саnon
Технические характеристики
|
Размер |
APS-C |
|
|
Эквивалентное фокусное расстояние 35 мм пленки |
24-136 |
|
|
Угол поля зрения (по горизонтали, по вертикали, по диагонали) |
74є 10' - 15є 25', 53є 30' - 10є 25', 84є 30' - 18є 25' |
|
|
Конструкция объектива (элементы/группы) |
17/12 |
|
|
Число лепестков диафрагмы |
7 |
|
|
Минимальная диафрагма |
22-38 (36) № |
|
|
Минимальное расстояние фокусировки (м) |
0,35 |
|
|
Максимальное увеличение (x) |
0,21 (при 85 мм) |
|
|
Информация о расстоянии |
Предоставляется |
|
|
Стабилизатор изображения |
Эквивалентный 4-м ступеням выдержки |
|
|
Привод автофокусировки |
Кольцевой ультразвуковой привод (USM) № |
|
|
Водо-/пыленепроницаемый корпус |
- |
|
|
Диаметр фильтра (мм) |
72 |
|
|
Макс. диаметр x длина (мм): |
81,6 x 87,5 |
|
|
Вес (г) |
575 |
|
|
Увеличение с удлинительным кольцом EF12 II |
0,44 - 0,155№ |
|
|
Увеличение с удлинительным кольцом EF25 II |
Не рекомендуется |
|
|
Крышка объектива |
E-72U / E-72II |
|
|
Бленда |
EW-78E |
|
|
Мягкий футляр |
LP1116 |
|
|
Экстендеры |
Недоступно |
Минимальное расстояние от крепления до фотоплёнки или матрицы (рабочий отрезок) - 44 мм
3. Энергетический расчет
3.1 Выбор осветительного оборудования
дальность объекта ;
размеры объекта ;
пространственная частота объекта
.
Коэффициент передачи модуляции объекта
В оптических приборах часто применяют поверхности второго порядка.
Поверхность эллипсоида вращения позволяет собрать в точку лучи, идущие параллельно друг другу, следовательно если источник света разместить в фокусе эллипса, то поверхность эллипсоида вращения будет образовывать параллельный пучок. Этот принцип широко применяется в прожекторах. Поверхность эллипсоида вращения позволяет собрать в одну точку, в один фокус лучи, если поместить источник света в одном фокусе эллипса, а входной зрачок объектива - в другом, то возможно равномерно осветить предмет, который должен проектироваться этим объективом.
Воспользуемся осветительной системой с эллипсоидным зеркалом. Задача этой системы заключается в создании максимальных светового потока и освещенности экрана, а также спектрального состава излучения.
Для нашей системы подберем осветительное оборудование:
CoolLight 1500 LED
Rekam CoolLight 1500 LED - это новый мощный светодиодный (LED) осветитель в компактном корпусе, который воспроизводит более 5000 лк/м света.
Рисунок 4 - светодиодный осветитель
Данный свет - "холодный" с большим сроком службы, без "мигания". Мощность производимого света эквивалентна 800 Вт галогенной лампы, но при этом потребление электроэнергии LED осветителя в 8раз меньше, чем у галогенного аналога. Цветовая температура источника света - 5600 ± 200 K. Срок службы источника света в данном приборе - не менее 10 000 часов.
Благодаря конической форме и "зеркальной" поверхности рефлектора, поставляемого вместе с осветителем, интенсивность света может быть увеличена в 2 раза.
Параболический рефлектор используется для ограничения светового потока.
Освещеность экрана
Параметры фона (экрана):
структура фона - однородный, белый
размеры фона
Светимость экрана:
Сила света точечного источника отражается от идеального рассеивателя (экрана) по закону Ламберта:
,
Освещенность объекта, на расстоянии от экрана
Поток приходящий на МПИ от объекта:
Пороговая освещенность в плоскости объекта, указанная в паспорте ПЗС-матрицы, приведена для значений коэффициента отражения спасп=0,7 и диафрагменного числа Fпасп=1,4.
Распределение освещенности в плоскости приемника излучения:
(в плоскости объектаоб=);
Для Fраб=3.5 будет
Пересчитаем Епор из видимых единиц измерения в энергетические:
Мощность осветителя P=800 Вт, следовательно освещенность на входном зрачке будет:
Энергетические параметры
спектральная плотность освещенности объекта
спектральная плотность светимости отражающего объекта
Контраст (коэффициент модуляции) объекта на фоне
3.2 Преобразование оптических сигналов в ОЭС изображающего типа
На рисунке 5 представлена оптическая схема некогерентной ОЭС изображающего типа, работающей в режиме распознавания, в котором изображение объекта содержит несколько элементов МПИ. ОЭС содержит плоскость объекта , удаленного от оптической системы на расстояние , оптическую систему с плоскостями входного и выходного зрачков и плоскость изображения , в которой расположена плоскость чувствительных элементов МПИ.
Рисунок 5 - оптическая схема некогерентной ОЭС изображающего типа
Различают два типа непрозрачных диффузных объектов - нагретые объекты с температурой и коэффициентом излучения , наблюдаемые на равномерном тепловом фоне с температурой и коэффициентом излучения , и объекты с коэффициентом отражения , освещенные излучением , наблюдаемые на равномерном фоне с коэффициентом отражения .
Для математического анализа в качестве объекта используется одномерная гармоническая решетка с ограниченными размерами и перидом по координате , составляющим приблизительно (условие правильного распознавания объекта). При этом решетка смещена относительно начала координат на величину .
В нашем случае объектом будет являться лицо человека. С помощью нашей оптической системы мы обеспечиваем регистрацию лица человека в диапазоне дальностей . Так как объект заменяется эквивалентной гармонической решеткой, тогда пространственное распределение коэффициента отражения гармонической решетки
(1)
Рисунок 6 - Пространственное распределение коэффициента отражения объекта
Пространственное распределение светимости объекта в виде отражающей гармонической решетки:
(2)
увеличение системы
координаты изображений
Рисунок 7 - Сечение пространственного распределения светимости объекта
Суммарное пространственное распределение светимости отражающей решетки на равномерном отражающем фоне с коэффициентом отражения , из (2):
(3)
Рисунок 8 - Сечение суммарного пространственного распределения светимости отражающей решетки на равномерном отражающем фоне
Яркость диффузного объекта из формулы (3):
(4)
Рисунок 9 - Сечение распределения яркости на объекте
Пространственное распределение яркости объекта в виде отражающей решетки из формулы (4):
. (5)
Рисунок 10 - Сечение пространственного распределения яркости объекта в виде отражающей решетки
Фурье-образ распределение яркости объекта (5):
(6)
Рисунок 11-Сечение фурье-образа распределения яркости на объекте
Связь пространственных частот объекта (изображения ) с пространственными координатами входного (выходного ) зрачков
(7) (8)
Функция рассеяния оптической системы
Нормированную функцию рассеяния оптической системы можно приближенно описать функцией Гаусса:
(9)
где
диаметр пятна рассеяния по уровню 0,5, равный размеру элемента
.
Рисунок 12-Сечение нормированной функции рассеяния
Фурье-образ нормированной функции рассеяния есть передаточная функция оптической системы из (9):
В пространственных частотах
(10)
Рисунок 13 - Сечение передаточной функции оптической системы в пространственных частотах
Распределение освещенности в плоскости изображения:
где (11)
Рисунок 14 - Сечение распределения освещенности в плоскости изображения
Фурье-образ распределения освещенности изображения из (11):
(12)
где
При использовании распределение освещенности в плоскости изображения:
(13)
Рисунок 15 - Сечение Фурье-образа распределения освещенности в плоскости изображения
Выборка потоков излучения, зарегистрированная МПИ:
(14)
Фурье-образ выборки
(15)
где
модуляционная передаточная функция элемента МПИ.
Рисунок 16-Выборка потоков излучения, зарегистрированная МПИ
Выборка потоков излучения с использованием
(16)
Выборка потоков относительно фона:
(17)
При и при
(18)
Отношение сигнал/шум
(19)
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Свойства света, его физическая природа и взаимодействие с веществом. Получение изображений точечных источников света и протяженных предметов. Закон отражения, нахождение изображений при отражении света от различных типов зеркал. Закон преломление света.
реферат [59,4 K], добавлен 26.04.2010Принципы электронного сканирования пространственных распределений температуры по одной или двум координатам. Упрощенные схемы тепловизоров, реализующих оптико-механическое и электронное сканирование. Приемники оптического излучения, оптика тепловизоров.
реферат [1,4 M], добавлен 07.05.2014Возникновение искусственных нейронных сетей, их виды и применение. Задачи, решаемые при помощи персептрона Розенблатта. Методика обучения персептрона. Персептронная система распознавания изображений. Ограничения, накладываемые на имитационную модель.
дипломная работа [987,1 K], добавлен 11.01.2012История массового распространения фотографии. Технология изготовления голограмм. Причины различного восприятия человеком объемности фотографии и голограммы. Важные свойства голографических изображений. Фотографический метод записи оптической информации.
реферат [23,1 K], добавлен 06.03.2011Обратное преобразование Лапласа и теорема разложения Хевисайда. Операторные схемы замещения элементов: резистивного, индуктивного и емкостного. Законы Кирхгофа для изображений. Построение операторной схемы для цепи с учетом независимых начальных условий.
презентация [187,3 K], добавлен 20.02.2014Основные свойства преобразования Лапласа. Нахождение изображений функции времени. Теорема смещения. Свойство линейности. Законы Кирхгофа и Ома в операторной форме. Операторные схемы замещения реактивных элементов при ненулевых начальных условиях.
лекция [130,7 K], добавлен 23.03.2009Анализ качественного и количественного состава поверхности. Первичный и вторичный фотоэффекты, структура спектров. Компенсация статической зарядки исследуемой поверхности. Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов. Формирование СЗМ изображений.
учебное пособие [4,5 M], добавлен 14.03.2011Характеристика акустооптических эффектов. Измерительные системы на основе акустооптических перестраиваемых фильтров. Использование акустооптических эффектов для измерения физических величин. Акустооптические фильтры для анализа изображений, спектроскопии.
реферат [649,7 K], добавлен 20.12.2015Изучение видов аддитивного синтеза по принципу смешения цветов. Обзор классификации цветовых моделей по их целевой направленности. Анализ функций цветового соответствия, полутоновых и растровых изображений, хроматической диаграммы с длинами волн цветов.
реферат [1,8 M], добавлен 26.02.2012Анализ структуры вещества с помощью рентгеновских лучей. Свойства рентгеновских лучей. Периодичность в распределении атомов по пространственным плоскостям с различной плотностью. Дифракция рентгеновских лучей. Определение кристаллической структуры.
презентация [1013,1 K], добавлен 22.08.2015Угловые распределения интенсивностей квантов сформированного пучка в отсутствие рефлектора и с рефлектором, их анализ и оценка. Пики зеркального отражения в энергетических интервалах, перекрывающихся с граничными энергиями зеркального отражения.
статья [353,7 K], добавлен 22.06.2015Исследование гравитационного линзированных систем - один из приоритетных направлений современной астрофизики. Остаточная среднеквадратичная погрешность волнового фронта. Описание телескопа АЗТ-22 для получения изображений с высоким угловым разрешением.
статья [91,4 K], добавлен 22.06.2015Теоретическое исследование электростатического поля как поля, созданного неподвижными в пространстве и неизменными во времени электрическими зарядами. Экспериментальные расчеты характеристик полей, построение их изображений и описание опытной установки.
лабораторная работа [97,4 K], добавлен 18.09.2011Расчет независимых начальных условий в цепи до коммутации. Операторная схема для заданной цепи. Замена источников изображениями по Лапласу, переход от изображений искомых величин к оригиналам (обратное преобразование Лапласа, теорема Хевисайда).
презентация [217,7 K], добавлен 20.02.2014Принципы работы сканирующих зондовых микроскопов. Сканирующие элементы, защита зондовых микроскопов от внешних воздействий. Стабилизация термодрейфа положения зонда над поверхностью. Формирование и обработка изображений. Атомно-силовая микроскопия.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 17.12.2014Краткая биография Липмана Габриэля Йонаса. Значение его работ для развития фотографии и голографии. Сущность метода интегральной липмановской фотографии. Принцип мультиплексной голографической записи трехмерных изображений. Преимущества данного способа.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 14.03.2015Обзор особенностей преломления и отражения света на сферических поверхностях. Определение положения главного фокуса преломляющей поверхности. Описания тонких сферических линз. Формула тонкой линзы. Построение изображений предметов с помощью тонкой линзы.
реферат [514,5 K], добавлен 10.04.2013Технология оптического демультиплексирования с разделением по длине волны, использующая дифракционную решетку на основе массива планарных волноводов различной длины между разветвителями. Изоляция и дальние перекрестные помехи. Интервал между каналами.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 19.10.2012Схемы передачи электроэнергии от источника. Трансформаторная подстанция: назначение и устройство. Энергообследование системы теплоснабжения. Одно из самых популярных энергосберегающих мероприятий, которые проводятся по итогам обследований тепловых сетей.
презентация [5,7 M], добавлен 24.03.2015Выбор схемы присоединения новых подстанций, номинального напряжения, сечений и марок проводов линий, трансформаторов. Проверка их загрузки и определение приведенных затрат. Механизм расчета и анализ режимов наиболее экономичного варианта развития сети.
курсовая работа [863,6 K], добавлен 22.01.2017
