Исследование и разработка методов предварительной обработки гартманограмм

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Для качественного контроля оптических систем полученные экспериментальным путем гартманограммы [1] подвергаются различным видам обработки, таким как: фильтрация и сепарация, параллельная нумерация пятен, обнаружение центров пятен, проверка расположения гартманограмм друг относительно друга, проверка масштаба и последующее нахождение поперечных аберраций и восстановление исследуемой поверхности.

Применяются различные методики обнаружения пятна, такие как оператор Собеля, метод “по диагонали”, “по прямой”. В основе способа поиска пятен рассеяния «по прямой» лежит предположение о том, что пятно рассеяния имеет форму эллипса. В методе «по диагонали» используется диагональное направление поиска. [2]

При детальном исследовании и применении методик, а также в процессе реализации вышеуказанных методов возникают проблемы:

1) Одинаковый номер может быть присвоен разным пятнам.

2) Номера некоторых пятен обнуляются.

Рис. 1

3) Двум разным пятнам присвоен один номер, один контур.

Рис. 2

4) Некоторые пятна игнорируются.

гартманограмма оптический абберация

Рис. 3

5) Необходима синхронная нумерация пятен.

Рис. 4

6) В сильно зашумленных изображениях не происходит обнаружения пятен вовсе.

Рис. 5

Для решения перечисленных задач (рис. 1-5) применим следующие алгоритмы:

1) Один и тот же номер присвоен разным пятнам.

Номера пятен вместе с координатами регистрируются в отдельный файл. Этот файл проверяется на наличие дублирующих номеров.

2) Номера некоторых пятен обнуляются.

Как правило, пятна обнуляются на втором по порядку обработки изображении. Значит, причиной обнуления пятна на втором ихображении может являться отсутствие соответственной точки на первом изображении. Для решения проверяется второе изображение. В случае отсутствия на том же месте симметричного пятна, «нулевое» пятно не учитывается.

3) Объединение пятен в единый контур.

Пятна объединяются в одно. Для решения этой проблемы производится проверка размеров контуров пятен. Вычисляется средний размер контуров всей картины, и при обнаружении контура, превышающего средний размер в 2 и более раз, автоматически включается проверка области для поиска отдельных пятен внутри нее.

4) Пропуск пятен.

Некоторые пятна игнорируются. Во избежание такой ситуации следует проверять изображение по второму разу после того как первая проверка пройдена. Все найденные пятна следует стереть до цвета фона, и заново пройти изображение.

5) Синхронная нумерация пятен.

Предлагается делать дополнительную обработку. Она представлена в следующих шагах.

1. Уравнивание масштаба и ориентации гартманограмм. (Масштаб, поворот, отражение).

2. Анализ области поиска известными методами, получение набора прямоугольных зон по обеим картинам.

3. Далее в цикле по пятнам, происходит поиск парных пятен на картине 2. Вычисляется зона на гартманограмме 2, в которой должно лежать сопряженное с первым пятно. Если пятно обнаруживается, производится нумерация. Если же пятно не обнаруживается, то производим поиск вокруг места соответствия до обнаружения.

6) Пятна не обнаруживаются.

На сильно зашумленных гартманограммах автоматическая обработка не происходит. Это подтверждает необходимость предварительной обработки картины пятен рассеяния с целью очищения от шума. Для корректного определения контура пятна следует отделять массу пятна от шумов внутри него. Целесообразно будет применить метод “адаптивной медианы”. Этот метод превосходит остальные методы в производительности, обрабатывая каждый пиксель и обнаруживая и устраняя импульсные шумы с высокой точностью. [5]

Автоматическое определение типа диафрагмы Гартмана.

Для облегчения обработки необходимо заранее знать, какой вид диафрагмы используется. Тогда для каждого типа можно применять свои алгоритмы обработки. Также необходимо автоматически определять, перевернуты ли изображения друг относительно друга и перевернуть их при необходимости.

Диафрагмы Гартмана отличаются различным положением отверстий, представленном на рисунке 6.

Рис. 6. Различное положение отверстий диафрагм: радиальное (а), спиральное (б), квадратное (в)

Диафрагма а) позволяет выявить характерные дефекты поверхностей - зональные погрешности, являющиеся результатом классических методов шлифования и полирования. Спиральное распределение отверстий б) позволяет устранить некоторые недостатки радиального расположения, встречается редко. Наилучшим расположением считается квадратная схема в) с равным удалением отверстий друг от друга. [3]

Предлагается следующая последовательность действий для автоматического определения типа диафрагмы.

Позонная проверка изображения. Зона - прямоугольная область. Она движется по изображению, позволяя исследовать частоту, периодичность и характер изменений распределения интенсивности в зоне. По результатам такого исследования можно с легкостью достоверно определить тип диафрагмы и ее ориентацию.

На рисунке 2 можно увидеть результат работы алгоритмов по обработке гартманограммы с учетом предложенных дополнений:

Рис. 7. Результат правильной обработки гартманограммы

Расчет поперечных аберраций.

После обработки изображений имеются координаты точек, с помощью которых можно рассчитать поперечные аберрации.

На рисунке 8 представлен ход луча: отражается от контролируемой поверхности зеркала 1, проходит через диафрагму Гартмана 3, оставляя след поочередно на предфокальном матричном приемнике 4 и постфокальном 6. В случае прохождения реального луча (R) отлично от идеального (I), который пересекает ось в точке F, появляется поперечная аберрация в плоскости Гаусса. Реальный луч пересекает очь в точке О. Цифра 2 показывает отрезок, который отвечает за полярную координату с (сх, су) - точка зеркала, для которой производится расчет поперечной аберрации Д (отрезок 5).

Рис. 8. Ход луча

Аналогичная схема может быть использована для схематического представления разных положений приемников 4 и 6.

Рис. 9. Расчет поперечной аберрации. r1(x1;y1), r2(x2;y2) - координаты точек на предфокальном и постфокальном изображениях соответсвенно; a, b - расстояния от поверхности зеркала, пересекающей ось. до предфокального и постфокального изображений соответственно; - искомая поперечная аберрация; f - положение плоскости Гаусса

С помощью данного соотношения возможен расчет поперечной аберрации для любых расположений матричных приемников.

Таким образом, в данном докладе рассмотрены методики автоматизации процессов обнаружения пятен, масштабирования и определения ориентации гартманограмм, типа диафрагм, способов параллельной нумерации пятен, и расчета поперечных аберраций.

Литература

1. Малакара Д. Оптический производственный контроль. //М. Машиностроение, 1985.

2. N.D. Tolstoba, V.E. Malutin, G. V. Yakopov, E. V. Automation of data pre-processing at the control of optical systems by the Hartmann. Proc. SPIE 9131, Optical Modelling and Design III.

3. Романова Г.Э., Парпин М.А., Серегин Д.А «Конспект лекций по курсу компьютерные методы контроля оптики» ИТМО 2011 год.

4. K. Engel (2006), «Real-time volume graphics,», сс. 112-114.

5. How-Lung Eng, Student Member, IEEE, and Kai-Kuang Ma, Senior Member, IEEE, «Noise Adaptive Soft-Switching Median Filter».

Размещено на Allbest.ru