научная статья по теме ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЙ ИНФОРМАЦИОННЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АКУСТООПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ МНОГОСПЕКТРАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЙ ИНФОРМАЦИОННЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АКУСТООПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ МНОГОСПЕКТРАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ»

УДК 534.284:681.518.3

ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЙ ИНФОРМАЦИОННЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АКУСТООПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

____w ___ ______w А

МНОГОСПЕКТРАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ1

MEASUREMENT PRINCIPLES OF INFORMATION AND TECHNICAL CHARACTERISTICS OF THE MULTISPECTRAL IMAGE PROCESSING

ACOUSTO-OPTIC SYSTEMS

Зайченко Кирилл Вадимович

д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой,

директор НОЦ

E-mail: kvz_k41@aanet.ru

Гуревич Борис Симхович

д-р техн. наук, профессор Е-mail: bgurevich48@gmail.com

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Факультет радиотехники, электроники и связи

Кафедра медицинской радиоэлектроники

Аннотация: Акустооптические системы многоспектральной обработки изображений (МОИ) строятся на базе акустоопти-ческих перестраиваемых фильтров с широкой угловой апертурой. Такие системы могут быть описаны набором оптических степеней свободы, которые влияют на информационные характеристики системы. Предложены методы измерений этих характеристик, а также установлена их связь с техническими характеристиками систем. Формулируются критерии разрешения, учитывающие допустимую вероятность неразличения единицы информации. Приводится описание установки для реализации измерений характеристик систем МОИ.

Ключевые слова: оптические степени свободы, акустооптичес-кие перестраиваемые фильтры, критерий спектрального разрешения, многоспектральная обработка, субизображения.

Zaychenko Kirill V.

D. Sc. (Technical), Professor, Head of Department,

Director of SEC

E-mail: kvz_k41@aanet.ru

Gurevich B. S.

D. Sc. (Technical), Professor Е-mail: bgurevich48@gmail.com

Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation Faculty of radioengineering, electronics and communication

Chair of medical radioelectronics

Abstract: Multispectral image processing (MIP) acousto-optic systems are designed on the basis of acousto-optic tunable filters with wide angular aperture. These systems can be described by the set of optical freedom degrees which act a direct influence on the system information characteristics. These characteristics measurement methods have been proposed, and their connection with technical characteristics of the systems have been established. The resolving power criteria have been formulated which had taken into consideration the information unit non-recognition admissible probability. The installation description has been presented for MIP systems characteristics measurements realization.

Keywords: optical freedom degrees, acousto-optic tunable filters, spectral resolving power criterion, multispectral processing, subimages.

ВВЕДЕНИЕ

Многоспектральная обработка изображений (МОИ) представляет собой мощный и полезный метод выделения спектральной информации в полихромных изображениях. Он заключается в том, что полихромное изображение разбивается на некоторое количество монохромных субизображений, соответствующих опре-

1 Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, гранты № 13-07-00208 А и № 14-07-00364 А.

деленным спектральным интервалам внутри спектральной полосы исходного изображения, а затем каждое из субизображений анализируется по пространственным координатам. Важным узлом системы МОИ является устройство выделения спектральных интервалов.

Как правило, такое устройство базируется на дифракционных решетках, которые обладают существенным недостатком: синус угла отклонения обратно пропорционален длине волны света, и если две анализируемые длины волны света не слишком сильно отличаются друг от друга, то субизображения на выходе окажутся

перекрытыми, и их невозможно будет проанализировать. Этого недостатка лишены акустооптические перестраиваемые фильтры (АОПФ), в которых реализуется дифракция на объемных решетках Брэгга [1]. АОПФ формируют субизображения, отклоненные под одним и тем же углом, но на одной длине волны при одной частоте управляющего сигнала, поданного на АОПФ. Смена частоты управляющего сигнала приводит к сдвигу параметров условия Брэгга [2] и в результате дифракционное устройство выделяет субизображение на другой длине волны. Управляя частотой сигнала, подаваемого на АОПФ, можно программно управлять длиной волны света, формирующего выделяемое субизображение.

Таким образом, на базе АОПФ может быть построена система МОИ. К настоящему моменту предложены и исследованы некоторые системы МОИ, которые осуществляют многоспектральную обработку главным образом изображений биологических объектов. Между тем остается не до конца исследованным вопрос о допустимом количестве субизображений для системы МОИ. Он может быть решен, если применить к описанию системы МОИ информационный подход [3], включающий использование оптических степеней свободы и информационных характеристик светоинформационных систем.

ОПТИЧЕСКИЕ СТЕПЕНИ СВОБОДЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Вопрос об оценке объема информации, передаваемой оптической системой, был поставлен гораздо раньше, чем появилось понятие двоичной единицы информации. В 1914 г. Макс фон Лауэ [4] предположил, что фундаментальным инвариантом емкости оптической системы является число полных степеней свободы оптического сигнала. В механике число степеней свободы определяется как число независимых между собой возможных перемещений механической системы. В оптике в соответствии с предложенной Лауэ концепцией, под количеством степеней свободы понимается число значений сигналов от различных пространственных участков, интервалов времени, спектральных и других интервалов, сигнал в каждом из которых изменяется независимо от сигнала в другом участке или интервале. Таким образом, каждая оптическая степень свободы описывает уровень дискретизации оптической системы при попытке перейти от физических характеристик аналогового изображения к информационным характеристикам, выражающихся в двоичных единицах, т. е. цифровым.

Сложность в определении числа оптических степеней свободы заключается в том, что в оптике имеется несколько видов степеней свободы (не только пространственные, но и спектральные, фазовые, поляризационные), а также и в некоторой неоднозначности оп-

ределения количества участков и интервалов, в которых сигналы независимы. В оптике наиболее часто рассматривают пространственные оптические степени свободы. Очевидно, для того чтобы выразить объем информации, передаваемый оптической системой в дискретных двоичных единицах, необходимо осуществить дискретизацию светового поля изображения в соответствии с некоторыми принципами. Таких принципов может быть три.

1. Дискретизация базируется на некоторых детерминированных явлениях, например, принимается во внимание дифракционный предел разрешения.

2. Дискретизация базируется на статистических принципах, например, принимается во внимание отношение сигнал/шум, обеспечивающее вероятность различения единицы информация не ниже заданной.

3. Дискретизация базируется на технических особенностях системы, например, принимается во внимание стандарт разложения в телевизионной системе либо число пикселов в фоторегистрирующей матрице.

Первый принцип считался наиболее правильным до недавнего времени, когда появилось понятие "сверхразрешение", или разрешение, превышающее дифракционный предел. Третий принцип вполне разумен, и его следует использовать в тех случаях, когда конструктивные особенности системы не дают возможность разбиения пространственного или спектрального континуума на более мелкие интервалы. Однако, часто приходится иметь дело с ситуацией, когда вступают в противоречия требование максимального количества оптических степеней свободы и минимальной вероятности пропуска единицы информации. Именно в таких условиях чаще всего приходится работать системам МОИ. И формирование критерия спектрального разрешения системы, которая определяется возможностями АОПФ, следует осуществлять именно с этих позиций.

АОПФ занимают особое место среди акустоопти-ческих устройств. Это связано с тем, что обрабатываемые данные поступают на прибор не через пьезопреоб-разователь с управляющим сигналом, а прямо с входным светом. Основная функция устройства — выделение из пучка входного полихромного света одной или нескольких спектральных линий. Принцип работы устройства состоит в том, что в первый дифракционный порядок ячейка Брэгга направляет лишь ту часть световой энергии, длина волны которой удовлетворяет условию Брэгга для частоты сигнала, подаваемого на вход ячейки.

Для МОИ принято использовать широкоапертур-ные АОПФ, обычно сформированные с использованием ячеек Брэгга на базе монокристаллов диоксида теллура [5]. Под термином "широкоапертурный" подразумевается, что устройство обладает широкой угловой апертурой, позволяющей разрешать большое количество пространственных элементов изображения. В част-

62

вепвогв & Эувгетв • № 2.2015

ности, в устройстве, описанном в [5], угловая апертура позволяет разрешать пространственные частоты до 150 лин/мм по горизонтали и вдвое меньше — по вертикали. Однако селективность этого АОПФ невелика, поскольку полоса пропускания составляет 40 нм.

Совершенствование технологии АОПФ привело в последние году к улучшению селективности. В настоящее время широкоапертурные АОПФ обеспечивают селективность не хуже 1 % от длины выделяемой волны [6]. Тем не менее, для оценки предельных возможностей таких АОПФ необходим анализ, в рамках которого могло бы быть оценено взаимовлияние пространственной и спектральной информации, обрабатываемой системой при использовании АОПФ. Для этого необходимо рассмотреть основные информационные характеристики АОПФ — информационную емкость (ИЕ) и информационную пропускную способность (ИПС). При этом ИЕ АОПФ может быть определена как максимальный объем информации, содержащийся в одном субизображении, а ИПС — как максимальный объем обрабатываемой информации в единицу времени. В соответствии с информационным подходом [3] эту характеристику можно определить как

_ т + 1)

11 =

где N1 = ЛхЛхЛу — общее число степеней свободы по двум пространственным и по спектральной координатам, Т — общее время формирования и экспозиции всех

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком