Інформаційно-вимірювальні системи видалення структурних дефектів зображення цифрованих багатошарових фотографічних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.316

05. 11. 16 - Інформаційно-вимірювальні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

• ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ
• ВИДАЛЕННЯ СТРУКТУРНИХ ДЕФЕКТІВ ЗОБРАЖЕННЯ
• ЦИФРОВАНИХ БАГАТОШАРОВИХ ФОТОГРАФІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ

Рейда Олександр Миколайович

Вінниця - 2005

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у Вінницькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Кожем'яко Володимир Прокопович, Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри лазерної та оптоелектронної техніки

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Пєтух Анатолій Михайлович Вінницький національний технічний університет, завідувач кафедри програмного забезпечення

доктор технічних наук, професор Русин Богдан Павлович Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, завідувач відділом розпізнавання зображень динамічних об'єктів

Провідна установа:

Державне підприємство "Науково-дослідний інститут метрології вимірювальних i управляючих систем" (ДП НДI "Система") Держспоживстандарту України, відділ розробляння наукових, методичних та технічних основ метрологічного забезпечення ВIЦС та АСКТП, м. Львів.

Захист відбудеться "11" березня 2005 р. о 930 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 05. 052. 02 у Вінницькому національному технічному університеті за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Вінницького національного технічного університету за адресою: 21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 95.

Автореферат розісланий "9" лютого 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Павлов С.В.

Анотації

Рейда О.М. Інформаційно-вимірювальні системи видалення структурних дефектів зображення цифрованих багатошарових фотографічних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 - інформаційно-вимірювальні системи. Вінницький національний технічний університет, Вінниця, 2005.

У результаті виконання дисертаційної роботи: запропоновано і реалізовано метод оцінювання структурних пошкоджень БФМ, що базується на властивостях теорії розсіяння і поглинання світла. На базі запропонованого методу проведено дослідження структури дефектів і точності їх виділення на зображенні цифрованих БФМ; запропоновано і реалізовано метод відтворення структурних пошкоджень цифрованих БФМ, що базується на фізичних властивостях об'єктів і їх структурному аналізі; запропоновано і програмно реалізовано метод адаптації процесу відтворення структурних дефектів сканованих БФМ у залежності від типу БФМ і типу пошкоджень. Використання даного методу дозволило підвищити якість відтворення і адаптувати відтворене зображення до структури зображення, що сформовано у емульсійних шарах БФМ.

На основі проведених комплексних теоретичних і експериментальних досліджень, їх результатів розроблено та освоєно у виробництві на Вінницькому ДНВП "Геосистема" пристрій для видалення структурних пошкоджень БФМ; запровадження даного пристрою, як структурної одиниці фотограмметричного сканеру, дозволило значно розширити його функціональні властивості і покращити якість цифрованих БФМ; використання пристрою видалення дефектів зі структури цифрованих БФМ дозволило отримати значний економічний ефект, так як розроблений пристрій може бути використаний в нових і більш пізніх модифікаціях фотограмметричних сканерів.

Розроблено і апробовано практичні рекомендації по апаратурній реалізації структурних елементів пристроїв для видалення дефектів БФМ і методика використання їх у системах цифрових перетворювачів.

Ключові слова: інформаційно-вимірювальна система, багатошарові фотографічні матеріали, геоінформаційні системи, інфрачервоне випромінювання, системи цифрової обробки інформації, СЦПІ, функція передачі модуляції, функція розсіювання точки, цифрова обробка.

Рейда О.М. Информационно - измерительные системы удаления структурных дефектов изображения оцифрованных многослойных фотографических материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 - информационно - измерительные системы. Винницкий национальный технический университет, Винница, 2005.

В результате выполнения диссертационной работы: предложен и реализован метод оценивания структурных дефектов МФМ, который базируется на свойствах теории рассеяния и поглощения света. На базе предложенного метода проведены исследования структуры дефектов МФМ и точности их выделения на изображении. Предложен и реализован метод воспроизведения структурных повреждений цифрованных МФМ, который базируется на физических свойствах объектов и их структурном анализе. Предложен и программно реализован метод адаптации процесса воспроизведения структурных повреждений оцифрованных МФМ в зависимости от их типа и повреждений. Использование данного метода позволило повысить качество восстановления и адаптировать изображение к структуре, которая экспонирована в МФМ, которое сформировано в эмульсионных пластах МФМ.

На основе проведенных комплексных теоретических и экспериментальных исследований, их результатов, а также предложенных в ходе работы технических решений. Впервые разработано и освоено в производстве на Винницком ГНПП "Геосистема" устройство для удаления структурных повреждений МФМ. Внедрение данного устройства, как структурной единицы фотограмметрического сканера, разрешило значительно расширить его функциональные свойства и улучшить качество оцифрованных МФМ. Использование устройства удаления дефектов из структуры цифрованных МФМ разрешило получить значительный экономический эффект, так как разработанное устройство может быть использован в новых и более поздних модификациях фотограмметрических сканеров.

Разработаны и апробированы практические рекомендации по аппаратурной реализации структурных элементов устройств для удаления дефектов МФМ и методика использования их в системах цифровых преобразователей.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, многослойные фотографические материалы, геоинформационной системы, инфракрасное излучение, системы цифровой обработки информации, системы цифрового преобразования информации, функция передачи модуляции, функция рассеяния точки, цифровая обработка.

Совокупность полученных в диссертации результатов решает важную научную проблему восстановления структуры изображений цифрованных материалов в информационно - измерительных системах. В результате исследовательской работы разработан программно-аппаратный комплекс выделения структурных дефектов МФМ в информационно - измерительных системах. В работе разработаны методы проведения анализа и удаления дефектов цифрованных МФМ в системах цифровых преобразователей.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы в вопросах применения на предприятиях и организациях подтверждаются соответствующими выводами и актами о внедрении.

Reyda O. M. - Information Measuring Systems of Removal Structural Defects of the Scanned Image of Multilayer Photographic Materials. - Manuscript.

A thesis for Ph. D. degree on specialty 05.11.16 - Information Measuring Systems. Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, 2005.

The method of an estimation of multilayer photographic materials (MPM) structural defects which is based on properties of the light dissipation and absorption theory were getting as a result of the dissertation:. Offered method of examination defects structure of scanned MPM and precision of its detection on the image were describe in the dissertation. The method of structural defects restoring of scanned MPM is based on physical properties of film and it structure analysis are offered and implemented. The method of restoration process adaptation of defects MPM structural was offer and program created depending on their type and damages. Usage of the given method has allowed to improve the quality recovery and to adapt the structure of image exposed in MPM.

Based on lead integrated theoretical and experimental researches, their outcomes, and engineering solutions offered during activity. For the first time the arrangement for removal of defects, scanned MPM designed and mastered in production on Vinnytsia SPE "Geosystem". Implantation of the given arrangement as base unit of the photogrammetric scanner has permitted considerably to expand its functional properties and to improve quality scanned MPM. Usage of the removal defects arrangement from structure scanned MPM has permitted to receive the considerable economic benefit as the designed arrangement can be use in new and later modifications of photogrammetric scanners.

Practical guidelines on instrument embodying assembling blocks of arrangements for removal of defects scanned MPM and their theory of operation in systems of scanners designed and approved.

Keywords: information measuring system, multilayer photographic materials, geoinformation system, infrared illumination, digital information processing system, digital information conversion system, a modulation transfer function, a scattering function of a point, a digital processing.

Загальна характеристика роботи

У теперішній час широко розвинуті галузі науки і техніки, що застосовуються інформаційно-вимірювальні системи (ІВС). Базовими складовими елементами таких систем є системи цифрового перетворення інформації (СЦПІ). Такі системи призначено для цифрування природних або штучних об'єктів, що є носіями інформації у аналоговому вигляді. Цифровані дані використовуються для збереження, передачі, аналізу і обробки у системах цифрової обробки інформації.

Одними із типів ІВС, що використовують цифрові дані, є геоінформаційні системи. Вони широко застосовують методи дистанційного зондування Землі, природних або штучних об'єктів. Методи дистанційного зондування основані на реєстрації електромагнітного випромінювання в широкому спектральному діапазоні і наступному їх аналізі. На даному етапі розвитку технологій дистанційного зондування широко розвинуті методи експонування об'єктів на багатошарових фотографічних матеріалах (БФМ). Такі матеріали по своїй природі є аналоговими носіями інформації. Для обробки інформації, яку містять у собі багатошарові фотографічні матеріали, у геоінформаційних системах проводиться її цифрування. Однією із основних задач обробки є усунення дефектів вказаних матеріалів, зменшення впливу спотворень і шумів, перетворення зображення до виду, зручного для спостереження людиною-оператором.

Особливе практичне значення мають методи обробки аерокосмічних зображень. Ефективність аерокосмічних методів вивчення земної поверхні, поверхні інших планет значною мірою визначається якістю цифрованих БФМ. Підвищення якості таких зображень має велике народногосподарське значення, тому що знижується вартість виконання робіт за рахунок зменшення масштабу зйомки. фотографічний багатошаровий дефект

Найбільш важливою проблемою при цифруванні БФМ є видалення структурних дефектів зображення. Структурні дефекти представляють собою сліди порошин, відбитків пальців, волосинок, подряпини і інші сторонні об'єкти, що існують на поверхні БФМ або у СЦПІ.

Видалення дефектів з цифрованого зображення в основному проводиться шляхом досить кропіткої і трудомісткої процедури за допомогою відповідного програмного забезпечення. Найкращим засобом для цього служили інструменти "Clone" & "Blend", а також "Dust & Scratches" графічного пакета Adobe Photoshop. Видалення структурних дефектів зображення такими методами є трудомістким і потребує багато часу.

Актуальність теми. В процесі обробки цифрованих БФМ виникають проблеми пов'язані із наявністю на зображенні сторонніх об'єктів, що спотворюють структуру зображення і приводять до виникнення помилок визначення форми і типу об'єктів зображення. До таких об'єктів, що спотворюють структуру зображення, відносяться подряпини емульсійних шарів і підкладинки БФМ, дефекти емульсії, що виникають в процесі фотографічної обробки, пил, бруд. Вказані дефекти значно погіршують точність і якість цифрової обробки зображень цифрованих матеріалів в автоматичному режимі і в режимі обробки оператором. Для покращення якості і точності обробки зображень цифрованих БФМ в системах цифрових перетворювачів, що використовуються у фотограмметричних дослідженнях, використано системи видалення структурних дефектів зображень цифрованих матеріалів. Підвищення таких параметрів систем, як точність і якість даних цифрованих БФМ є одними з основних вимог, що стають перед розробниками ІВС для використання у фотограмметричних дослідженнях. Таким чином, актуальність роботи обумовлена практичними потребами промисловості в сполучені з необхідністю розвитку наукових досліджень про фізичні, спектральні та структурні властивості БФМ, цифрованих зображень, систем цифрових перетворювачів і їх окремих елементів, зокрема тим, що це дозволяє значно підвищувати точність і якість зображень цифрованих БФМ.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Основні результати одержані при виконанні:

Наукових досліджень Вінницького державного технічного університету та Міністерства освіти та науки України за держбюджетною темою 57-Д-249 (№ держ. реєстрації 0102U002261) "Образний відеокомп'ютер".

Державного замовлення на ДКР "Розробка програмно - інформаційного комплексу для обробки аерокосмічних фотознімків та створення цифрових карт №30/2000";

Мета роботи полягає у підвищені точності видалення структурних дефектів із зображення цифрованих БФМ і відновлення їх структури з метою підвищення якості. Досягнення мети вимагало вирішення ряду задач:

· проведення аналізу ІВС в фотограмметричних дослідженнях для цифрування БФМ на функціональному та структурному рівнях;

· проведення аналізу структурних дефектів БФМ для підвищення точності їх виділення на зображеннях цифрованих БФМ;

· розробка методу виділення структурних дефектів на зображені цифрованих БФМ з точністю, що не перевищує розмір апертури цифрування БФМ в ІВС;

· проведення аналізу структурних властивостей об'єктів, що експоновані в фотографічних шарах БФМ, і методів їх моделювання;

· розробка методу відновлення структурних пошкоджень БФМ для підвищення якості і точності обробки цифрованих БФМ у фотограмметричних дослідженнях;

· розробка структурного елементу ІВС для виділення і видалення структурних пошкоджень на зображеннях цифрованих БФМ;

· розробка, апробація та впровадження в серійне виробництво елементів СЦПІ для видалення структурних пошкоджень БФМ.

Об'єктом досліджень є спектральні і геометричні характеристики структурних дефекти і безпосередньо зображення цифрованих БФМ, а предметом - шляхи і методи видалення структурних дефектів зображень цифрованих БФМ.

При вирішені, поставлених у роботі задач, використано методи теорії ІВС, теорії цифрових систем, цифрової обробки зображень, кольорової сенситометрії, денситометрії, розробки й аналізу конкретних технічних рішень. Експериментальні дослідження базувались на методах спектральної сенситометрії, теорії напівпровідників і цифрової обробки зображень.

Наукова новизна одержаних результатів:

Запропоновано і реалізовано метод оцінювання структурних пошкоджень БФМ, що базується на властивостях теорії розсіяння і поглинання світла. На базі запропонованого методу проведено дослідження структури дефектів і точності їх виділення на зображенні цифрованих БФМ. Використання даного методу дозволило проводити виділення структурних дефектів зображення цифрованих БФМ з середньоквадратичною похибкою відхилення ± 3 мкм і максимальною похибкою відхилення ±8 мкм при цифруванні БФМ апертурою 8мкм. Проведено аналіз якості виділення структурних дефектів зображення за допомогою еталонного зображення металевої сітки, нанесеної на скло. Ефективність виділення структурних дефектів складає понад 90% залежно від типу матеріалу і наявності певного типу пошкоджень. Для підвищення точності виділення розроблено класифікацію структурних дефектів БФМ.

Запропоновано і реалізовано метод відтворення структурних пошкоджень сканованих БФМ, що базується на фізичних властивостях об'єктів і їх структурному аналізі. Використання запропонованого методу дозволило підвищити точність відтворення структури пошкоджених об'єктів зображення і отримати такі характеристики точності відтворення: середньоквадратична похибка відтворення структури зображення складає ±8 мкм, максимальна похибка ±18 мкм на структурі об'єктів зображення БФМ цифрованих апертурою 8 мкм.

Запропоновано і програмно реалізовано метод адаптації процесу відтворення структурних дефектів цифрованих БФМ у залежності від типу БФМ і типу пошкоджень. Використання даного методу дозволило підвищити якість відтворення і адаптувати відтворене зображення до структури зображення, що сформоване у емульсійних шарах БФМ.

Практичне значення одержаних результатів:

На основі проведених комплексних теоретичних і експериментальних досліджень, їх результатів, а також запропонованих у ході роботи технічних рішень:

1. Вперше розроблено та освоєно у виробництві на Вінницькому ДНВП "Геосистема" пристрій видалення структурних пошкоджень БФМ.

2. Запровадження даного пристрою, як структурної одиниці фотограмметричного сканеру, дозволило розширити його функціональні властивості і покращити якість цифрованих БФМ.

3. Використання пристрою видалення дефектів зі структури цифрованих БФМ дозволило отримати значний економічний ефект, так як розроблений пристрій може бути використаний в нових і більш пізніх модифікаціях фотограмметричних сканерів.

4. Розроблені і апробовані практичні рекомендації по апаратурній реалізації структурних елементів пристроїв для видалення дефектів БФМ і методика використання їх у системах цифрових перетворювачів.

Особистий внесок здобувача. У дисертації використані результати робіт, виконаних у співавторстві. У більшості з них автор був ініціатором досліджень, формулював завдання і визначав шляхи їх вирішення, розробляв відповідні методики. Він приймав активну участь у виготовлені експериментальних зразків і установок, у впроваджені результатів у виробництво, проведені досліджень, обробці та інтерпретації отриманих даних. Основні наукові положення та висновки, що складають суть дисертації, автор сформулював особисто.

Апробація результатів дисертації. Результати, що включено до дисертації було представлено на таких конференціях:

1. Second International Scientific Conference of Students, Post-Graduate Students and young Scientist "Optoelectronic information-energy technologies -2002", 23-25 April, 2002, Vinnytsia, Ukraine.

2. XXII FIG International Congress: ACSM - ASPRS Conference & Technology Exhibition, 20-26 April, 2002, Washington, DC, USA;

3. Міжнародний промисловий форум "Геоформ + " і конгрес фотограмметристів, 10 - 17 лютого, 2004, Москва, Росія;

4. XXth ISPRS congress. 12-23 July, 2004, Istanbul, Turkey;

Публікації. Результати дисертації опубліковано 4 статтях в фахових виданнях, 5 тез у науково - технічних конференціях.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, основних висновків по роботі, списку використаних джерел (75 бібліографічних посилань, 8 сторінок) та 5 додатків (46 сторінок). Загальний обсяг дисертації, в якому викладено основний зміст, складається з 140 сторінок і містить 55 рисунків, 5 таблиць. Повний обсяг дисертації-190 сторінки.

Висловлюється подяка д. т. н., проф. Кожем'яці В. П, к. т. н., доц. Кононову В. І., Малову В. І., Гайді В. Б., Данилченку П. І. за поради при підготовці дисертації та допомозі при впровадженні результатів дисертації у виробництво.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми досліджень, визначено їх об'єкт і предмет. Зазначено зв'язок роботи з науковими планами і темами, сформульовано мету і задачі роботи. Визначено методи дослідження та наукова новизна, а також практична цінність отриманих результатів. Вказано відомості про апробацію та кількість публікацій за матеріалами дисертації.

У першому розділі проведено аналіз ІВС для врахування властивостей БФМ а також аналіз їх властивостей. Слід виділити наступну істотну особливість спектральних кривих поглинання барвників БФМ. У межах видимого діапазону спектра (від = 420 - 680 m) форма кривих постійна для різних зразків плівок при зміні у досить широких межах умов хіміко-фотографічної обробки.

Будь-яка форма сумарної кривої поглинання кольорового поля може бути обумовлена лише єдиним сполученням концентрацій трьох обраних барвників. Така крива є найбільш повним описом властивостей проявленого БФМ. Спектральні характеристики БФМ мають такі властивості: в ультрафіолетовому і видимому діапазонах барвники БФМ спектрально - селективні, інфрачервоному вони є спектрально неселективними або слабоселективними.

Розглянуто відомі системи виділення дефектів БФМ і метод відновлення структури зображення. В існуючих системах існує ряд таких недоліків:

Для освітлення БФМ у системі використовується джерело дифузійного випромінювання. Використання такого джерела випромінювання в повній мірі не дозволяє виділяти дефекти БФМ, так як передатна характеристика системи з дифузними джерелами освітлення значно гірша ніж у системах з направленим випромінювання.

Для виділення електромагнітного випромінювання необхідного спектрального діапазону використано барабан із світлофільтрами для розділення спектрального діапазону джерела випромінювання. Така схема освітлювача має ряд недоліків, які пов'язані із синхронізацією частоти обертання барабану із частотою роботи системи для зчитування експонованих даних.

Отримана у результаті цифрування маска дефектів зображення БФМ використовується безпосередньо для реставрації зображення.

Не проводиться аналіз структуру маски дефектів, з метою виділення безпосередньо видимих дефектів зображення;

У розглянутих системах низька точність відтворення структури об'єктів.

В основі, запропонованого в роботі методу виділення пошкоджень БФМ лежать методи кольорової сенситометрії, денситометрії, теорій ІВС, методи теорії напівпровідникових приймачів. У результаті проведення аналізу властивостей БФМ і методів цифрової обробки інформації було отримано основні напрямки досліджень виділення дефектів БФМ і їх відтворення. З вище сказаного зроблено такі висновки:

1. Спектрально-селективні властивості БФМ проявляються у видимому діапазоні електромагнітного випромінювання, що дозволило проводити аналіз спектрально неселективних характеристик БФМ у інших спектральних діапазонах;

2. Для вирішення задач відновлення зображень використано алгоритми, що мають як математичне обґрунтування, так і емпіричне. Для дефектів БФМ, що описуються рівнянням згортки із функцією розсіяння системи, такі алгоритми умовно поділено на три основні групи: алгоритми рішення системи алгебраїчних рівнянь; алгоритми фільтрації зображень у частотній області; ітераційні алгоритми.

У другому розділі розглянуто методи побудови ІВС для аналізу структурних дефектів, розглянуто методи що використовувались для проведення досліджень, а також методики аналізу і обробки одержаних результатів.

Методи, що використовувались при проведені досліджень поділено на інформаційно-вимірювальні методи і методи реставрації пошкоджень.

Для аналізу системи виділення дефектів БФМ використано методи теорії інформаційних систем побудови зображень. На основі розглянутих методів проведено дослідження оптичної системи пристрою виділення пошкоджень БФМ. Дані методи використано для розрахунку характеристик оптичної системи і розробки методу ідентифікації дефектів на зображені цифрованих БФМ.

Для проведення досліджень властивостей БФМ використано модель, що характеризує властивості фазових середовищ. Використання моделі обумовлено відповідністю її властивостей до властивостей структури зображень, що сформовані у БФМ внаслідок експонування об'єктів.

Слід відмітити, що явне визначення функції розподілення дозволяє точно визначити стан середовища в конфігураційному просторі. У подальшому вважаємо що система є беззіткненною системою багатьох частинок з консервативними силами взаємодії. Рівняння Власова описує систему і дозволяє описати беззіткненний рух "нескінченної кількості тіл".

У фазовому просторі ейлерева різницева сітка з просторовим кроком dx і dy утворена великою кількістю малих комірок, що визначаються індексами (i,j). Функцію розподілення f визначено у кожній точці таким чином, щоб кількість частинок у комірці (i,j) у момент tn дорівнювало . Для інтегрування рівняння переносу його записано за допомогою різницевої схеми Лакса. У відповідності з рівнянням густину у кожний наступний момент часу розраховано по формулі

(1)

Необхідно відмітити, що різницева форма рівняння не є строго консервативною і величина f точно зберігається на різницевий сітці, так як коефіцієнти не залежать від індексу i (від координати x) і, відповідно, потенціал не залежить від j. Рівняння описує гравітаційний випадок. Після завершення кожної ітерації по часу обчислено густину у кожній комірці простору. Після проведених розрахунків обчислено потенціал у момент часу на основі різницевого рівняння Пуассона

(2)

Для вказаного методу існують обмеження, які пов'язано з проявом аномальної численної дифузії, яка відбивається при розв'язанні рівняння Власова методом Лакса. Для зменшення такого ефекту використано схеми більш високого порядку: метод Лакса-Вендорфа або метод "з переступанням". Численна дифузія є негативним ефектом, що присутній для різницевого розв'язку рівняння Власова, так як різницева модель не зберігає величину f і тим самим веде до зростання ентропії. Тому, в даному випадку, ефект численної дифузії еквівалентний внесенню аномальних збуджень у структуру відновленого зображення.

Модель "водяного мішка" вільна від дифузії, якщо вона відбувається в просторі і має ті самі властивості, що й зіткнення. У розділі розглянуто моделі фотографічних систем різного призначення. Для розглянутих систем запропоновано використовувати інформаційні критерії для оцінки якості методів відновлення дефектів БФМ. Інформаційні методи аналізу використано для оцінювання інформативності цифрованих даних до і після відновлення інформації. Оцінювання даних проведено враховуючи характеристики фотографічних систем і характеристики цифрованих БФМ.

Модель цифрованих БФМ основана на моделях фазових середовищ, що дозволило характеризувати властивості БФМ як цільної інформаційної системи, що є джерелом інформації в ІВС. У роботі запропоновано використовувати метод "Водяного мішка" для відновлення об'єктів експонованих у БФМ в областях із пошкодженою структурою. Метод дозволяє відтворювати інформацію у пошкоджених областях.

Для проведення аналізу даних, що визначають положення дефектів цифрованих БФМ проведено аналіз методів виділення малорозмірних дефектів БФМ і їх ефективності стосовно точності виділення.

У третьому розділі вперше приведено розширену класифікацію дефектів БФМ, що дозволило використовувати її для аналізу структурних дефектів і проводити попередню обробку з метою виділення дефектів на структурі зображення. Аналіз дефектів дозволив провести їх моделювання з метою отримання характеристик фільтрів для максимально точного виділення їх місцезнаходження. Дану класифікацію представлено у табл. 1.

Передатна характеристика оптичної системи у видимому і інфрачервоному спектрах випромінювання не залежить від довжини хвилі випромінювання. Дана характеристика показала, що структура дефектів у видимому і інфрачервоному спектральних діапазонах є однаковою і вихідні зображення не потребують додаткових перетворень для проведення подальшої обробки;

Отримана крива функції передачі контрасту оптичної системи визначає діапазон розмірів дефектів, що розрізняються на зображені цифрованих БФМ. Так як мінімальна чутливість контрасту об'єктів по кривій Лаура і Міза складає 10%, на зображені будуть проявлятися зображення дефектів з мінімальним розміром 4 мкм. Даний факт дозволив значно зменшити час обробки даних системою для відновлення структури зображення.

Аналіз передатної характеристики вказує на те, що амплітудні значення передатної характеристики оптичної системи значно перевищують амплітудні значення передатної характеристики БФМ. Даний факт використано при аналізі передатних характеристик БФМ для виділення структурних пошкоджень.

Передатна характеристикам системи вказує на те, що системою максимально точно передаються дефекти товщиною лінії не менше 4 мкм, що відповідає відновленню дефектів зображення з розмірами на менше 4 мкм. В розділі приведено криві ефективності відновлення інформації для отримання найбільш точного відтворення структури зображення.

Для проведення відновлення структури цифрованого зображення виділено маску дефектів на зображені цифрованих БФМ. Виділення маски передбачає створення бінарного зображення об'єктів, що з максимальною вірогідністю відображають дефекти БФМ.

Для отримання зображення дефектів проведено цифрування БФМ при їх опроміненні електромагнітним випромінюванням в інфрачервоному спектрі. Згідно властивостей БФМ, в інфрачервоному спектрі шари неселективні до випромінювання. В результаті опромінення на зображенні проявляються дефекти БФМ і сторонні об'єкти.

Таблиця 1 Класифікація дефектів БФМ

Принципи класифікації	Найменування класифікаційних груп	Приклади
Різновид дефектів	Механічні пошкодження	подряпини, перегини, точкові пошкодження
	Пошкодження в процесі хімічної обробки	залишки проявника або інших сполук
	Сторонні об'єкти, що попадають на БФМ	пил, бруд, об'єкти системи сканування
Виникнення дефектів	Дефекти природного походження	Кільця Ньютона, нерівномірність проявленого емульсійного шару
	Дефекти штучної природи	Подряпини, пил
Абсолютне значення і співвідношення абсолютних розмірів	Компактні (точкові)	Пил
	Лінійні (протяжні)	Подряпини емульсійного шару
	Площинні	Дефекти емульсійного шару в наслідок деградації
Склад і призначення	Прості	Пил, подряпини
	Складені	Дефекти емульсійного шару, Кільця Ньютона
Властивість відбивати випромінювання	Малоконтрастні	Кільця Ньютона, малорозмірні подряпини
	Контрастні	Пил, подряпини

Зображення дефектів цифрованих БФМ містить не тільки об'єкти, що утворено дефектами, а також об'єкти, які утворюються за рахунок інтерференції, дифракції і нерівномірності розподілені густини вуалі у шарах БФМ. Суттєво на якість зображення дефектів впливають також і шуми зернистості. Для перетворення зображення дефектів у зображення маски проведено видалення об'єктів, що не є дефектами БФМ згідно запропонованої класифікації.

Методика виділення дефектів передбачає виділення нерівномірності густини вуалі і виділення кілець Ньютона на першому етапі процесу маскування.

Аналіз точності відтворення дозволив стверджувати, що система не вносить похибок більших ніж одна точка зображення, що є задовільним для використання таких систем у обробці аерофото - і космічних знімків.

Помилки, які утворюються внаслідок квантування аналогового сигналу перед його цифровим перетворенням апроксимовані незалежними відліками випадковим величин, що мають густину розподілення ймовірності по закону Гауса (нормальне розподілення). Відповідно до вище сказаного щільність перетворення аналогового сигналу у цифровий апроксимується гауссовим законом, що дозволило використовувати нормальний закон розподілення похибки для аналізу характеристик системи.

Таблиця 2 Характеристики моделюючої кривої ФРТ оптичної системи

Спектральний діапазон	Напрямок	Назва характеристики	Канал зчитування ПЗЗ
			Червоний	Зелений	Синій
Видимий	Зчитування	Мінімум	-0.04857	-0.09039	-0.05062
		Максимум	0.81579	0.93660	0.89964
		СКВ	4.089256	3.94192	3.57468
	Рух каретки	Мінімум	-0.00846	-0.00400	-0.00437
		Максимум	0.68842	0.82798	0.84180
		СКВ	4.11010	3.74972	3.48648
Інфрачервоний	Зчитування	Мінімум	-0.02397	-0.01740	-0.01031
		Максимум	0.66778	0.66364	0.62848
		СКВ	4.16091	4.05029	4.06615
	Рух каретки	Мінімум	0.01554	0.02102	0.01918
		Максимум	0.53838	0.57500	0.51938
		СКВ	4.88478	4.51212	4.63701

Для проведення аналізу точності СЦПІ використано метод контролю геометричних координат по всій апертурі сканування по контрольній сітці. Дана сітка представляє собою сітку з максимальним відхиленням центру перетину ліній = 4 мкм і середньо квадратичне відхилення = 2 мкм. Дані характеристики дозволили використовувати сітку як еталон для перевірки характеристик точності досліджуваної СЦПІ. Сканування сітки проведено апертурою 8 мкм. Після отримання цифрованого зображення сітки було проведене вимірювання відхилень положень центрів перетину ліній на зображені відносно реальним координатам положення перетину.

Основні характеристики геометрична точності СЦПІ представлено у табл. 3. Аналіз ефективності методу проведено, враховуючи критерії точності виділення дефектів цифрованих БФМ і їх якість відтворення. Критерій ефективності виділення дефектів зображення враховує ймовірність виділення об'єктів фіксованого розміру на структурі фонового зображення. Даний критерій дозволив якісно оцінити властивість системи, щодо виділення малорозмірних об'єктів. В результаті проведеного аналізу враховувались три типи похибок: пропуск об'єктів на фоновому зображенні, похибки при визначені їх місця знаходження, зернистість БФМ (помилкове виділення).

Таблиця 3 Характеристики інформаційно-вимірювальної системи

Назва характеристики	Вісь X	Вісь Y
Максимальне відхилення, мкм	3	4
Коефіцієнт афінної деформації	1.000001	0.999999
Неперпендикулярність, сек.	0.5
Середньоквадратичне відхилення, мкм	1.48	1.76

Враховуючи приведені похибки отримано криві, що характеризують ймовірність виділення дефектів зображення в залежності від розміру апертури цифрування точки і відношення сигнал/шум. Мінімально ефективний розмір апертури цифрування складає 8 мкм.

Проведено аналіз ефективності виділення дефектів БФМ, що розташовані в емульсійному шарі і на підкладинці (внутрішні і зовнішні). Дефекти зображення, що розташовані в емульсійному шарі, мають чітко виражену структуру і високий рівень контрасту. Дефекти, що розташовані на підкладинці, емульсійного шару мають більш розмиту (в результаті розфокусування) структуру зображення і значно нижчий рівень контрасту.

У четвертому розділі розглянуто структурну схему пристрою виділення дефектів БФМ. Дана схема відображає взаємозв'язок основних компонентів системи.

Пристрій виділення дефектів БФМ являється пристроєм для цифрування БФМ і вимірювання оптичних густин у різному спектральному діапазоні. У подальшому приведено властивості пристрою, що запропоновано. Характеристики пристрою цифрування є сумісними з пристроєм виділення дефектів БФМ і в кінцевому результаті дозволяють отримати необхідне зображення дефектів.

У відповідності з сенситометричними властивостями БФМ у різних спектральних діапазонах електромагнітного випромінювання запропоновано схему пристрою для цифрування дефектів БФМ. Такий пристрій є системою, що складається із чотирьох основних структурних елементів. Перший елемент представляє собою систему освітлювача, що містить у собі дві світлодіодні лінійки 80 см довжиною, які опромінюють багатошаровий фотографічний матеріал у видимому і інфрачервоному діапазонах. Другий - система фокусування представляє собою структурну одиницю системи освітлювача, але виділена в окремий компонент системи, так як виконує функції фокусування і направлення електромагнітного випромінювання на багатошарові фотографічні матеріали. Як третій елемент використовується ПЗЗ лінійний фотоприймач для детектування оптичних густин БФМ у різних спектральних діапазонах електромагнітного випромінювання.

Проведені дослідження показали, що у багатьох випадках зображення, які містять малорозмірні об'єкти, можуть бути приведені до виду, описаному за допомогою адитивної моделі сигналу на фоні однорідного шуму, шляхом вирівнювання фону початкового зображення.

У розділі представлено експериментальні результати дослідження системи видалення дефектів БФМ. Спектр отриманих зображень містить складові високих і низьких частот, які у свою чергу характеризують дефекти і фонові об'єкти зображення відповідно. Для підвищення ефективності виділення структурних пошкоджень проведено створення маски дефектів згідно із методикою запропонованою в дисертації. Отримані зображення не містять у своїй структурі фонових об'єктів і дозволяють проводити бінарізацію зображення дефектів для отримання маски.

Проведені дослідження показали, що найкращий результат бінарізації при виділенні і локалізації малорозмірних об'єктів на відфільтрованому фоні зображення дає адаптивний поріг, що визначається за формулами:

(3)

де - середньоквадратичне відхилення гістограми, - момент інерції третього порядку, I - середнє значення.

Коефіцієнти k1 = 1,98, k2 = 1.2 знайдено експериментально. У результаті бінарізації отримано маску зображення, що використано для відновлення структури зображення цифрованих БФМ. Дана маска містить зображення дефектів. Після проведення бінарізації було проведене розбиття зображення маски на зрізи, які утворено при обчислені контуру зображення. При використанні даної операції утворюються зрізи, що не містять у собі однакових точок дефектів зображення і служать для проведення процесу відновлення пошкоджених дефектами частин зображення. Границі дефектів обчислено у результаті згортки зображення із операторами Лапласа, що дозволило визначити границю об'єкта в усіх напрямках на площині зображення.

Для проведення дослідження методу відновлення зображення використано зображення цифрованих БФМ негативного і позитивного типів. Для отримання результатів метод виділення було перевірено на 120 зображеннях цифрованих БФМ.

У результаті цифрування отримано зображення, що характеризує розподілення оптичних густин БФМ у видимому і інфрачервоному спектральних діапазонах. На даних зображеннях чітко проявлено дефекти, що вносять як структурні дефекти цифрованих БФМ так і дефекти оптичної системи, що характеризуються об'єктами зображення, що мають значно нижчий (для позитивних БФМ) або вищий (для негативних БФМ) рівень яскравості і не відповідають загальній структурі об'єктів зображення, спотворюючи їх.

Після отримання зрізів маски дефектів зображення проведено розрахунок вектору градієнту зображення. Розрахунок градієнту проведено для приведеного сірого зображення, так як розрахунок градієнту для кожного каналу приводить до значного збільшення часу обробки і зниження продуктивності системи.

Після визначення вектору градієнту, згідно методу "Водяного мішка" проведено відтворення структури зображення. Даний метод дозволив використовувати ітераційні методи для проведення відновлення зображення. Ітераційні методи відновлення структури цифрованих матеріалів дозволили послідовними наближеннями отримати результат з мінімальною похибкою відтворення зображення.

Методика відтворення структури зображення враховує властивості границь об'єктів, що дозволяє не спотворювати їх. Кожна наступна ітерація методу відтворення структури зображення у наближеній формі розв'язує систему рівнянь у першому наближені для отримання дійсних значень точок, що були пошкоджені дефектами матеріалів. Граничні умови при розв'язанні даної системи прямують до нуля, якщо кількість точок маски - дефектів для окремо взятого об'єкту дорівнює нулеві.

Відновлення проведено за рахунок наявності в околі зображення точок, що характеризують направлення і амплітуду вектора. Даний вектор є вектором градієнту, що характеризує об'єкт відтворення. Кожен крок алгоритму відтворення коректує відтворені дані за рахунок наявності інформації про точки зображення в околі. Дана процедура дозволяє значно зменшити похибку відтворення і підвищити якість відтвореного зображення.

Висновки

Сукупність отриманих у дисертації результатів розв'язує важливу наукову задачу відновлення структури зображень цифрованих матеріалів у ІВС. У роботі розроблено методи проведення аналізу і видалення дефектів цифрованих БФМ в системах цифрових перетворювачів.

У дисертаційній роботі отримано такі основні результати:

Науково обґрунтовано і застосовано модель пристрою для виділення структурних дефектів, що використовує фізичні і спектральні властивості БФМ, властивості напівпровідникових випромінювачів у визначеному спектральному діапазоні, спектральні властивості напівпровідникових фотоприймачів. На її основі створено систему виділення структурних пошкоджень і проведено дослідження їх основних властивостей.

Приведено класифікацію дефектів цифрованих БФМ і розглянуто їх основні властивості.

Реалізовано метод ідентифікації дефектів цифрованих БФМ на зображені об'єктів, що характеризують фон зображення маски дефектів. Використання даного методу дозволило проводити виділення структурних дефектів зображення цифрованих БФМ з середньоквадратичною похибкою відхилення ± 3 мкм і максимальною похибкою відхилення ±8 мкм при цифруванні БФМ апертурою 8 мкм.

Реалізовано метод відновлення зображень цифрованих БФМ, що базується на принципах "Нестискуваності фазових середовищ".

Запропоновано метод адаптації процесу відтворення структурних дефектів цифрованих БФМ в залежності від типів БФМ і типів пошкоджень.

На основі детального дослідження методик виділення дефектів цифрованих БФМ на функціональному та структурному рівнях показано, що найбільш ефективним шляхом є використання пристроїв і методів виділення дефектів в процесі цифрового перетворення, основане на сенситометричних властивостях БФМ і спектральних властивостях напівпровідникових пристроїв. На структурному рівні ефективність досягається за рахунок використання апаратного методу виділення структурних дефектів БФМ і комплексної методики оцінювання їх структурних властивостей.

Проведено аналіз систем, що використовуються для видалення дефектів цифрованих БФМ а також аналіз якості виділення структурних дефектів і відновлення структури зображення цифрованих БФМ. Приведено криві, що характеризують ймовірність виділення об'єктів відносно мінімального розміру дефектів цифрованих БФМ.

Розроблено пристрій для виділення дефектів цифрованих БФМ, як структурну одиницю фотограмметричного сканера (Delta)

Розроблено пакет програмного забезпечення для обробки цифрованих БФМ з метою виділення дефектів і відновлення структури зображення об'єктів.

Відзначені вище основні наукові і практичні результати дисертаційної роботи в частині теорії застосування впроваджені в розробках підприємств і організацій, що підтверджується відповідними висновками й актами про впровадження.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Кожем'яко В. П., Колесницький О.К., Рейда О.М. Лазерний пристрій фотограмметричного сканера для сканування аерофотознімків // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2001. - №2. - С. 22 - 25.

2. Кожем'яко В. П., Рейда О.М., Мутасім Абу - Шабан. Аналіз методики реставрації зображень "Inpainting" // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології - 2002. - №1(3). - С. 63 - 68.

3. В.П. Кожем'яко, О.М. Рейда, В.Б. Гайда. Виділення дефектів структури зображень цифрованих БФМ у системах цифрових перетворювачів // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2003. - №1 - 2 (5, 6). - С. 132 - 137.

4. В.П. Кожем'яко, О.М. Рейда, В.Б. Гайда. Відновлення структури зображень цифрованих БФМ // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2004. - №1(7). - С. 5 - 12.

5. Кожем'яко В. П., Рейда О.М., Гринчишин Р.М., Пасічник Т.Г. Методи лінійної обробки зображень // Збірник тез доповідей Міжнародної науково - методичної конференції. - Дніпродзержинськ. - 2000. - С. 44 - 45.

6. Рейда О.М. Використання методів розпізнавання, фільтрації і згортки для визначення характеристичних кривих якості оптичних елементів // Тези студентських доповідей XXIX науково - технічної конференції. - Вінниця. - 2000. - С.56.

7. V. Kozhemyako, A. Reyda, R. Grinchishin, O. Asmolova Digital Image Filtration// Збірник тез доповідей міжнародної науково - технічної конференції "Оптоелектронні інформаційні технології "Фотоніка - ОДС 2000"". - Вінниця: "УНІВЕРСУМ - Вінниця". - 2000 - С. 46.

8. V. Kozhemyako, V. Gayda, A. Reyda Reducing a level to slides granulations using digital image processing// Збірник тез доповідей міжнародної науково - технічної конференції "Оптоелектронні інформаційні технології "Фотоніка - ОДС 2000"". - Вінниця: "УНІВЕРСУМ - Вінниця". - 2000 - С. 40.

9. Гайда В.Б., Рейда А.Н. Методика "Inpainting" // Збірник тез доповідей Другої міжнародної науково - технічної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених "Optoelectronic information-energy technologies - 2002". - Вінниця: "УНІВЕРСУМ - Вінниця". - 2000 - С. 46.

Размещено на Allbest.ru

...