Пред.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
8.3. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫВыше мы показали, что для реализации пространственно-частотного фильтра с заданной комплексной передаточной функцией сглаживающее действие и, следовательно, для компенсации сглаживания Для изготовления транспарантов с записью знакопеременных функций приходится создавать «сэндвич» из двух транспарантов: одного амплитудного, изготавливаемого обычным фотографическим способом, и другого фазового, дискретно изменяющего фазу проходящей через него световой волны на Однако в задачах восстановления изображений для записи Вместе с тем, располагая голографическим способом регистрации передаточных функций любого вида и имея простой фотографический транспарант для В методе инверсной фильтрации (см § 1.4) для восстановления изображения Метод создания двухкомпонентного инверсного фильтра Представим передаточную функцию инверсного фильтра в виде
и предусмотрим изготовление отдельных транспарантов для записи функций Оба транспаранта можно изготовить с помощью устройства, содержащего оптический фурье-анализатор с каналом опорного пучка. Одна из возможных схем такого устройства приведена на рис. 8.4. С помощью светоделительного куба 8 формируются два световых пучка от газового лазера 1. Один из пучков (сигнальный) расширяется с помощью коллиматора, состоящего из микрообъектива 15, точечной диафрагмы 14 и линзы 13, и направляется на входной транспарант (фотопластинку) 12 с записью функции
Рис. 8.4. Устройство для изготовления пространственно-частотных фильтров: 1 - лазер; 2, 4 — затворы; 3 — светоделительный куб; 5, 16 — сменные нейтральные светофильтры; 6, 15 — микрообъективы; 7, 14 — точечные диафрагмы; 8, 13— линзы коллиматоров; 9 — призма; 10 — кассета с фотопластинкой; 11 — анализирующая линза; 12 — транспарант с записью функции h(x); 17 - зеркало Анализирующая линза 11 образует в своей задней фокальной плоскости, где установлена фотопластинка 10, дифракционную картину входного транспаранта. На эту же пластинку под углом Создание пространственно-частотных восстанавливающих фильтров начинается с регистрации фотографического транспаранта с записью
где Полученный транспарант устанавливают во входную плоскость оптического фурье-анализатора в канале сигнального пучка (см. рис. 8.4). Канал опорного пучка перекрывают затвором 4 и осуществляют экспонирование фотопластинки. Интенсивность света, падающего на фотопластинку, представляет собой функцию того чтобы амплитудное пропускание проявленной пластинки стало пропорциональным функции Вторую компоненту фильтра, пропорциональную функции При изготовлении голограммы необходимо с помощью светофильтров 5 и 16 подобрать соотношение интенсивностей света в каналах опорного и сигнального пучков так, чтобы световой поток опорного пучка был в несколько раз больше потока сигнального пучка. Тогда первое приближение функции амплитудного пропускания голограммы будет содержать три члена, причем второй — пропорционален требуемой функции Заметим, что если весовая функция Вторую голографическую компоненту фильтра можно также изготовить в виде бинарной цифровой голограммы, синтезируемой на ЭВМ.
Рис. 8.5. Дифракционный оптический коррелятор для восстановления изображений: 1 - лазер, 2 — микрообъектив; 3 — точечная диафрагма; 4 — линза коллиматора; Такая голограмма имеет вид пространственной фазоманипулированной решетки. Границы участков, в которых на решетке происходит скачок фазы на Общая эффективность двухкомпонентного инверсного фильтра зависит не столько от второй (голографической), сколько от первой (амплитудной) компоненты. При этом качество восстановления изображения при инверсной фильтрации определяется, в основном, динамическим диапазоном фильтра Обычные фотоматериалы при традиционных методах их фотохимической обработки обеспечивают на линейном участке характеристической кривой динамический диапазон записи, не превышающий примерно Одним из таких методов является маскирование. Под маской обычно понимают фотослой, который используется в копировальном процессе вместе с негативом для получения определенных фотографических эффектов. Чаще всего маски изготавливаются с использованием оригинального негатива и резкого или нерезкого, контрастного или «вялого» позитива. В решаемой задаче достаточно эффективным оказался метод нерезкой маски, реализуемый с помощью копировального прибора. С помощью этого метода удалось достичь динамического диапазона амплитудной компоненты инверсного фильтра порядка 104: Метод создания инверсного фильтра с разделенными амплитудной и фазовой частями
Первую компоненту фильтра Фазовая компонента фильтра просто фазомодулированной дифракционной решеткой и не имеет амплитудной модуляции, увеличивающей светопоглощение. Такую решетку можно изготовить искусственно, например, регистрируя растровую структуру кадра в фототелевизионной системе. Отсутствие необходимости записи на голографическом фильтре амплитудных соотношений распределения Увеличение динамического диапазона фильтра в рассматриваемом методе так же, как и в предыдущем, решается маскированием. Однако процесс маскирования значительно проще и осуществляется без копировального прибора. На первом этапе в оптическом фурье-анализаторе на фотопластинке регистрируется распределение При фильтрации исходного изображения все три фотопластинки Заметим, что в рассмотренном методе пространственно-частотный фильтр оказывается трехкомпонентным Но чем больше составляющих приходится вводить в состав сложного пространственно-частотного фильтра, тем труднее добиться их точного совмещения в частотной плоскости коррелятора и обеспечить компенсацию случайных фазовых неоднородностей транспарантов, входящих в «сэндвич» По этой причине оптические корреляторы для восстановления изображения часто строят по многокаскадной схеме, в которой для каждой компоненты фильтра предусмотрена отдельная частотная плоскость Метод обобщенной инверсной голографической фильтрации Предположим, что голограмма Фурье изображения для линейного приближения функции амплитудного пропускания голограммы, для простоты пренебрегая экспоненциальными множителями, обеспечивающими разделение дифракционных порядков:
Изображение, соответствующее третьему члену в правой части (8.31), при реконструкции голограммы плоской однородной волной будет пропорционально фурье-образу функции
в направлении «плюс» 1-го дифракционного порядка голограммы появится восстановленное изображение Другой вариант состоит в регистрации голограммы Фурье объекта
Если такую голограмму осветить волной Однако применять рассмотренный метод можно лишь для узкого класса приборов, передаточные функции которых удовлетворяют условию (8.32). По существу, в пространственной области это условие означает, что корреляция весовой функции прибора, формирующего изображение должна быть близка к Но условия (8.32) можно и не выполнять, если заранее изготовить транспарант, амплитудное пропускание которого пропорционально функции
Поэтому при реконструкции такой голограммы плоской волной, сформированной от точечного источника, восстанавливается искомое изображение В различных вариантах метода обобщенной голографической фильтрации чаще всего используются схемы безлинзовой голографии Фурье, причем формируют протяженный опорный источник при помощи тщательно изготовленного транспаранта с записью весовой функции Хотя рассмотренный метод и допускает создание пространственно-частотного инверсного фильтра одной операцией, однако он применяется ограниченно, так как для каждого изображения, подлежащего обработке, приходится изготавливать отдельную голограмму. С помощью инверсных голографичёских фильтров мбжно существенно повысить разрешение снимков. Однако метод инверсной фильтрации хотя теоретически обеспечивает полное восстановление разрешающей способности прибора, но по свой сущности не способен учитывать влияние шума на процесс восстановления. Вследствие неустойчивости процесса инверсной фильтрации к малым изменениям исходных данных, восстановленные изображения характеризуются большим уровнем шумов, которые проявляются в виде сложной крупнозернистой структуры, которая иногда полностью маскирует мелкие детали изображения, приводит к появлению ложных деталей и в результате может свести на нет эффект увеличения разрешения. Поэтому были разработаны способы голографической реализации метода оптимальной фильтрации и метода регуляризации А. Н. Тихонова, свободные от указанных недостатков. Метод синтеза оптимальных голографичёских фильтров. Как было показано ранее, одним из эффективных путей получения корректного решения задачи восстановления сигналов, устойчивого к шумам, является применение оптимальной фильтрации Винера, предусматривающей минимизацию среднего квадратического отклонения восстановленного сигнала от неискаженного сигнала с учетом отношения сигнал/шум. Передаточная функция оптимального восстанавливающего фильтра равна
где
Преобразуя (8 34) к виду
видим, что передаточная функция оптимального фильтра отличается от передаточной функции инверсного фильтра наличием действительного положительного стабилизирующего множителя:
который необходимо учесть в функции пропускания фильтра. Оказывается, фильтр с передаточной функцией (8.35) можно реализовать методами голографии на единственной фотопластинке, в результате чего можно избежать технических трудностей, связанных с изготовлением многослойных транспарантов по методу инверсной голо-графической фильтрации [9]. Это возможно, если использовать нелинейность кривой почернений фотоматериала, на котором регистрируется голограмма, при соответствующем выборе отношения распределений интенсивностей сигнального и опорного пучков света. Действительно, передаточная функция инверсного фильтра реализуется в классической схеме голографирования, где голографическая компонента регистрируется при тщательном соблюдении линейности процесса регистрации. Как уже отмечалось, одно из требований классического процесса регистрации голограммы состоит в том, чтобы амплитуда опорного пучка света по всей площади голограммы была значительно больше амплитуды сигнального пучка. Тогда при линейной записи без искажений будут передаваться пространственно-частотные составляющие спектра объекта при реконструкции голограммы. Поэтому можно ожидать, что при несоблюдении указанного требования появится возможность управлять изменением пространственно-частотного спектра объекта в желаемом направлении. Для определения условий голографической регистрации фильтра с передаточной функцией (8.35) представим
Рассмотрим сначала первый случай, соответствующий (8.37). Ограничиваясь двумя первыми членами степенного разложения выражения (8.35), находим
Будем регистрировать голографический фильтр при условии, что амплитуда опорного пучка значительно меньше амплитуды сигнального, т. е.
Сравнивая (8.41) с (8.40), замечаем, что если положить
то
Во втором случае, когда справедливо (8.38), разложение функции (8.35) до члена второго порядка имеет вид
Если условия регистрации фильтра те же, что и в первом случае, т. е.
и
Подставляя в последнюю формулу значения
Нетрудно видеть, что если В третьем случае, когда
Учитывая, что
откуда следует, что
Полагая Таким образом, если при съемке голографического фильтра сигнальную волну промодулировать в соответствии с функцией Качественное объяснение процесса обращения функции
В случае, когда во всей области пространственных частот соблюдается условие
Если амплитуды сигнального и опорного пучков в плоскости голограммы меняются по закону (8.44), то распределение величины контраста зарегистрированных полос будет иметь вид
Однако мы не учитывали, что дифракционная эффективность голографического фильтра и, соответственно, модуль его передаточной функции зависят не только от контраста интерференционных полос, но и от среднего пропускания в рассматриваемой окрестности со. В самом деле, дифракционная эффективность или, что то же самое, амплитуда восстановленной световой волны при единичной амплитуде восстанавливающей волны равна произведению Отсюда следует, что при условии (8 44) модуль передаточной функции голографического фильтра действительно равен модулю передаточной функции оптимального фильтра с точностью до множителя Измерение отношения сигнал-шум фотоизображений на практике является сложной задачей. Поэтому часто целесообразно вместо оптимальной фильтрации применять субоптимальиую, основанную на регуляризации решения по методу А. Н. Тихонова (см. § 2.1). Сравнение множителя (8.36) со стабилизирующим множителем в методе регуляризации А.
показывает, что вместо неизвестной функции При оптической обработке информации для аппроксимации Экспериментальная проверка предлагаемого метода субоптимальной фильтрации проводилась применительно к случаю компенсации больших ошибок фокусировки, приводящих к увеличению диаметра ФРТ системы до 300 мкм. Снимки, подлежащие восстановлению, регистрировались с тестовых изображений печатного текста в условиях дефокусировки. Голографические восстанавливающие фильтры изготовлялись но оптической схеме рис. 8.2. Опорный пучок в плоскости Рис. 8.6. (см. скан) Пример восстановления изображения методом субоптимальной голографической фильтрации: а — исходное дефокусированиое изображение; б - восстановленное изображение фильтра маскировался по линейному закону. Подбор параметра а производился визуальной оценкой качества восстановленных изображений. Примером восстанавливающих свойств одного из созданных субоптимальных фильтров могут служить фотоиллюстрации, приведенные на рис. 8.6,
|
1 |
Оглавление
|