WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 16 |
В.М. Домненко, М.В. Бурсов, Т.В. Иванова МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Учебное пособие Санкт-Петербург 2011 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ В.М. ДОМНЕНКО, М.В. БУРСОВ, Т.В. ИВАНОВА МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Санкт-Петербург 2011 В.М. Домненко, М.В. Бурсов, Т.В. Иванова. Моделирование формирования оптического изображения. Учебное пособие. – СПб: НИУ ИТМО, 2011 - 141 с.

Учебное пособие подготовлено на кафедре прикладной и компьютерной оптики СПбГУ ИТМО и предназначено для подготовки магистров по профилю 200400.06 «Компьютерная оптика». В пособии излагаются основные теоретические положения, необходимые для практического моделирования формирования оптических изображений. В конце каждой главы предлагаются вопросы для обсуждения и задачи для аналитического решения или компьютерного моделирования.

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области приборостроения и оптотехники для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 200400 "Оптотехника", протокол №8 от 25.11. 2011 г.

Рецензент: проф., д.т.н. Коняхин И.А.

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет».

Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» © Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 2011 © В.М. Домненко, М.В. Бурсов, Т.В. Иванова. Оглавление Введение...................................................................................................................... Список основных обозначений............................................................................... Глава 1. Основы электромагнитной теории света............................................. 1.1. Моделирование распространения света......................................................... 1.2. Суперпозиция световых волн с учётом их когерентности........................ 1.3. Моделирование дифракционных явлений................................................... Выводы................................................................................................................... Вопросы.................................................................................................................. Задачи..................................................................................................................... Примеры решения задач....................................................................................... Глава 2. Дифракционная теория формирования изображения..................... 2.1. Моделирование распространения света через оптическую систему........ 2.2. Модели формирования изображений оптической системой..................... 2.3. Дифракционное распространение поля в пространстве предметов.......... 2.4. Геометрическое распространение поля через оптическую систему......... 2.5. Дифракционное распространение поля в пространстве изображений..... 2.6. Алгоритм моделирования распространения поля через оптическую систему.............................................................................................. 2.7. Формирование изображений самосветящихся предметов......................... 2.8. Описание свойств освещаемых предметов.................................................. 2.9. Определение когерентных свойств освещения........................................... 2.10. Формирование изображений предметов в проходящем свете................ 2.11. Алгоритмы моделирования формирования оптических изображений.. Алгоритм моделирования формирования изображения самосветящегося предмета........................................................................... Алгоритм моделирования формирования изображения освещаемого предмета.................................................................................. Алгоритм моделирования формирования изображения при когерентном освещении........................................................................ Алгоритм моделирования формирования изображения при некогерентном освещении.................................................................... Выводы................................................................................................................... Вопросы.................................................................................................................. Задачи..................................................................................................................... Примеры решения задач....................................................................................... Оглавление Глава 3. Формирование изображения как преобразование сигналов.......... 3.1. Преобразование сигналов оптическими системами................................... 3.2. Характеристики качества оптических систем............................................. Функция рассеяния точки (ФРТ)................................................................. Число Штреля................................................................................................



Функция концентрации энергии (ФКЭ)..................................................... Функция рассеяния линии (ФРЛ)................................................................ Пограничная кривая...................................................................................... 3.3. Частотное описание преобразования сигналов........................................... 3.4. Оптическая передаточная функция и её свойства...................................... 3.5. Формирование изображений каскадом преобразователей........................ Атмосферная турбулентность...................................................................... Расфокусировка............................................................................................. Астигматизм.................................................................................................. Смещение изображения................................................................................ Смаз................................................................................................................ Вибрация........................................................................................................ Двоение.......................................................................................................... Матричный приёмник изображения........................................................... Выводы................................................................................................................... Вопросы.................................................................................................................. Задачи..................................................................................................................... Примеры решения задач..................................................................................... Глава 4. Компьютерное моделирование формирования изображений...... 4.1. Принципы дискретизации функций........................................................... Дискретное представление непрерывных функций................................ Выборки функций, участвующих в моделировании............................... 4.2. Шаг дискретизации и количество элементов в выборках........................ 4.3. Особенности программной реализации моделей формирования изображений......................................................................................................... Выводы................................................................................................................. Вопросы................................................................................................................ Задачи................................................................................................................... Оглавление Приложение А. Системы канонических координат....................................... Приложение Б. Преобразование Фурье и его свойства................................. Приложение В. Полиномы Цернике.................................................................. Литература.............................................................................................................. Введение Введение Изображение есть подобие с отличительными свойствами первообраза, вместе с тем имеющее и некоторое в отношение к нему различие.

Иоанн Дамаскин Формирование изображений играет важную роль в жизнедеятельности человека. Большую часть информации об окружающих предметах и их свойствах человек получает посредством изображений, формируемых его зрительной системой. Для человека изображение – это процесс мгновенного «среза» действительности, создания реального представления о ней.

Ограничения зрительного аппарата (такие как ограниченные пространственное разрешение и пороговая контрастность, ограниченная спектральная чувствительность и другие), а так же удалённость одних и микроскопичность других объектов определяют потребность человека в использовании разнообразных оптических приборов, формирующих изображение для последующего наблюдения или регистрации. В настоящее время формирование изображений используется не только для преодоления ограничений зрительной системы человека, но и в процессах не связанных со зрением (например, в процессе бесконтактных оптических измерений, в процессе фотолитографической проекции и других).

Физически формирование оптического изображения заключается в преобразовании различными оптическими системами света, излучаемого, отражаемого или пропускаемого реальными объектами. Объекты существуют в пространстве предметов, а изображение формируется в пространстве изображений. Свет, приходящий из пространства предметов, оптическая система преобразует в распределение энергии в пространстве изображений.

Обычно анализируется распределение интенсивности на некоторой поверхности в пространстве изображений, которая называется поверхностью анализа. Такое распределение называется воздушным изображением.

Полученное распределение интенсивности может быть зарегистрировано с использованием какого-либо приёмника изображения. Зарегистрированные изображения могут иметь различную физическую природу и называться поразному (например, фотографии, голограммы, цифровые изображения).

Сложная природа световых явлений, происходящих в процессе формирования изображения, требует для своего описания применения теорий, построенных на основе различных концепций. Выбор теории, на основе которой строится модель, определяется характером светового явления.





Ряд оптических явлений, имеющих важное практическое значение, могут быть описаны простыми моделями геометрической (лучевой) оптики [3, 18], в основу которой положена концепция прямолинейного распространения света и понятие световых лучей. Например, с использованием геометрической оптики объясняются преломление и отражение света на поверхностях раздела двух сред. Интерференция, дифракция и поляризация света описываются волновой Введение оптикой [1, 3], которая основана на предположении о том, что свет является электромагнитной волной. Сложные процессы оптического излучения и взаимодействия света с веществом описываются квантовой оптикой [1], в которой свет представляется в виде потока фотонов – световых квантов.

Для создания модели формирования изображения оптической системой необходимо выявить основные явления, играющие определяющую роль в этом процессе. При формировании оптического изображения не происходит поглощения световой энергии с преобразованием в электрическую, химическую, тепловую или другие виды энергии. Поэтому, для описания света при анализе работы оптической системы не требуется привлечение квантовой теории. Свет, проходящий через оптическую систему, преломляется и отражается на поверхностях раздела оптических сред, а главное – претерпевает дифракцию на оправах и диафрагмах. Дифракционные явления играют определяющую роль при формировании изображения, а значит, методы волновой оптики должны быть основой для адекватного моделирования этого явления.

Глава 1 посвящена описанию света на основе электромагнитной теории. В ней вводится концепция монохроматического поля, описываются его характеристики и свойства. В главе 2 рассматриваются дифракционные явления, происходящие в оптической системе при формировании изображения.

Представлена модель распространения комплексной амплитуды поля через оптическую систему, построенная на основе концепции дифракции только на апертурной диафрагме. Затем описываются модели формирования изображений самосветящихся и освещаемых предметов. Особое внимание уделяется формированию изображения при различных условиях освещения предмета.

Для описания формирования изображений и анализа их качества может использоваться альтернативный подход, основанный на теории сигналов. Этот подход рассматривается в главе 3. Оптическая система представляется в виде преобразователя сигналов, для которого входным сигналом является предмет, а выходным – изображение. Использование подхода на основе теории сигналов позволяет получить передаточные функции, напрямую связывающие предмет и изображение, не только для оптических систем, но и для других преобразователей, входящих в состав изображающей системы.

Глава 4 посвящена особенностям компьютерной реализации моделирования формирования изображений. Развитие и широкое распространение компьютерной техники сделало возможным решение задачи моделирования изображений разнообразных предметов с учётом различных факторов (условий освещения, влияния оптической системы и других).

Благодаря правильному осуществлению дискретизации функций и использованию быстрых алгоритмов, можно реализовать адекватное и точное моделирование с высокой вычислительной эффективностью.

В заключение приводятся приложение с описанием систем канонических координат, приложение с описанием свойств преобразования Фурье и справочными таблицами фурье-образов некоторых функций, а так же список основной и дополнительной литературы.

Введение Параметры в пространстве предметов и в пространстве изображений, имеющие подобный смысл обозначаются одними и теми же символами, но параметры, относящиеся к пространству изображений, отмечаются штрихом.

Например, положение точки в пространстве предметов обозначается (x, y, z), а соответствующая ей точка в пространстве изображений – (x, y, z ). Функция распределения интенсивности в пространстве предметов обозначается I(x, y, z), а в пространстве изображений – I (x, y, z ). Другие используемые обозначения приведены далее в списке.

Список основных обозначений A – аналитический сигнал; t – время;

A – обобщённая апертура; U – комплексная амплитуда поля;

a – амплитуда; V – скалярное возмущение;

B – яркость; V – обобщённое увеличение;

c – скорость распространения света; – скорость;

D – оптическая передаточная W – волновая аберрация;

функция;

E – электрическая напряжённость; – угол дифракции;

E – эйконал; – дельта-функция Дирака;

F – оператор преобразования Фурье; – диэлектрическая проницаемость;

f – зрачковая функция; – поток;

– фазово-передаточная функция;

H – магнитная напряжённость;

– фаза;

H – обобщённая светосила;

– обобщённая предметная h – функция рассеяния точки (импульсный отклик);

координата;

I – интенсивность;

– длина волны;

J12 –взаимная интенсивность;

– магнитная проницаемость;

K – дифракционная функция; 12 – степень когерентности;

k – контраст;

– пространственная частота;

L – изображающий оператор;

– обобщённая зрачковая M – модуляционно-передаточная координата;

функция;

– коэффициент когерентности;

n – показатель преломления;

– амплитудное пропускание;

R – область определения функции;

– частота гармонических S – функция рассеяния линии;

колебаний;

s – обобщённая пространственная – разность фаз;

частота;

– каноническая координата на T – период;

источнике.

T – комплексное пропускание предмета;

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 16 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.