§ 3. Искажения изображений и их причины

Пусть — информация в форме, допускающей дискретизацию, имеющаяся в так называемой плоскости изображения. Произвольная точка на этой плоскости задается радиус-вектором х. Функциональная

зависимость от х записывается как

Функциональные зависимости всех других величин, заданных в плоскости изображения, представляются аналогичным образом.

Предположим теперь, что информация подвергается инвариантному во времени искажению, определяемому функцией значение функции в точке «размывается» на плоскости изображения в соответствии с видом функции Это означает, что рассматриваются только линейные искажения, так что искаженный сигнал может быть в достаточно общем виде записан следующим образом:

где через обозначен элемент площади с центром в точке (плоскости изображения), определяемой радиус-вектором В выражении (3.2) указан двойной интеграл ввиду двумерности плоскости изображения. Бесконечные пределы просто говорят о том, что интегрированием охватывается все изображение.

Если искажение имеет столь общий характер, что выражение (3.2) невозможно конкретизировать и упростить, то редко удается успешно восстановить функцию но функции Широко применимые методы восстановления и реконструкции были разработаны для пространственно-инвариантных искажений (характеризующихся тем, что размытие получается одним и тем же для всех точек х), либо для искажений. которые можно представить как пространственно-инвариантные одним из двух методов. Первый метол основан на геометрическом преобразовании изображения для перевода иространственно-зависимого искажения в пространственно-инвариантное. Во втором методе изображение с пространственно-зависимым искажением разбивается на ряд фрагментов, в каждом из которых его можно рассматривать как пространственно-инвариантное. Оба эти метода подробно рассматриваются в § 15.

Пространственная инвариантность означает, что функция, задающая искажение, имеет вид

Если функцию (3.3) подставить в выражение (3.2), то мы получим так называемый интеграл свертки. Операцию свертки будем обозначать звездочкой, поставленной в качестве знака умножения. Тогда выражение (3.2) с учетом равенства (3.3) можно записать в компактной форме

Даже если искажение является пространственно-инвариантным, не существует каких-либо априорных ограничений, налагаемых на вид ялра свертки Олнако на практике часто встречаются вполне определенные вилы этой функции, четыре из которых приведены в табл. 1.1 (см. пример 1 в конце данной главы). Линейный смаз возникает, если фотографируемый объект перемещается в процессе экспозиции по прямой линии (или же, что эквивалентно, если камера случайно качнется, а объект неподвижен). Промежуточный профиль, изображенный в табл. 1.1 в случае смаза, показывает, как движется фотографируемый объект в ходе экспозиции (резкий срез профиля на краях отвечает очень быстрому срабатыванию затвора камеры). Если высота сечения постоянна в процессе экспозиции, то такой линейный смаз называется однородным.

Другая обычная причина фотографического искажения — эффект расфокусировки. В этом случае функция имеет вид, очень близкий к кругу. (Это можно сказать из простых соображений геометрической оптики: данный круг есть пересечение плоскости изображения с конусом лучей, исходящим из дальней точки поля фотокамеры, который сходился бы в точку в плоскости изображения, если бы камера находилась в фокусе; тогда плоскость изображения была бы фокальной плоскостью.) Когда объект рассматривается через турбулентную среду при помощи оптической системы с высоким разрешением, искажение в случае короткой экспозиции (на протяжении которой состояние среды не успевает измениться) часто хорошо описывается функцией имеющей форму набора случайных импульсов. В случае же длительных экспозиций форма функции приближается к гауссовской. Хотя причины этих четырех видоп искажения могут быть самыми разными, указанные выше, пожалуй, наиболее типичны.

Обратимся теперь к процессу формирования изображений в оптической системе, отделенной от объекта искажающей средой. Мы будем предельно кратки. Подробный анализ можно найти в литературе. Указанная в § 1 произвольная точка в плоскости, на которую падает излучение, характеризуется радиус-вектором Если поле излучения в каждой точке представляет собой просто модулированное по амплитуде и фазе поле, которое существовало бы в этой точке в отсутствие искажения, то искажение называется изопланатическим. Изопланатизм — очень простое понятие, но оно имеет весьма важное практическое значение, а поэтому целесообразно дать и другое его определение. Рассмотрим луч, исходящий из произвольной точки источника излучения и приходящий в точку Будем характеризовать ослабление и задержку этого луча, отвечающие искажению, модулем и фазой комплексного числа Условием

изоиланатичности является независимость комплексного числа от т. е. равенство

Подчеркнем, что на практике при изопланатическом искажении комплексное число может сильно меняться в зависимости от точки Чем больше линейные размеры источника излучения, тем менее вероятно выполнение условия (3.5) для произвольной конкретной искажающей среды. К тому же, тобы условие (3.5) оставалось справедливым, размеры «ячеек» среды, которая вводит искажение, должны превышать некоторое минимальное значение, определяемое геометрией источника и среды. Таким образом, мы приходим к понятию участка изопланатизма. размер которого есть наибольший «эффективный размер» источника излучения. Удобно выражать размеры участка изопланатизма в угловой мере. Если во всех точках видимые угловые размеры источника излучения меньше размеров участка изопланатизма, то искажение является изопланатическим.

Обозначим поле излучения в произвольный момент времени в точке через а его фурье-образ через (§ 6). Предположим, что точка лежит в плоскости зрачка (т. е. в плоскости апертурной диафрагмы) устройства, формирующего изображение (например, телескопа, ультразвукового преобразователя, радиоантенны). Если фокальную поверхность такого устройства отождествить с плоскостью изображения, введенной в § 1, то сигнал будет «мгновенным изображением», формируемым этим устройством.

Введем теперь понятие аналитического сигнала. Эго сигнал, который не имеет отрицательных временных частот. Аналитический сигнал обязательно является комплексным, причем его мнимая часть связана преобразованием Гилъберта с его вещественной частью. За вещественную часть аналитического сигнала обычно принимают фактически измеряемый сигнал. Самый простой аналитический сигнал — экспоненциальная функция , где постоянная угловая частота, постоянная фаза. Вещественный сигнал, соответствующий этой функции, равен . В данной книге аналитические сигналы будут встречаться мало, и поэтому здесь мы не будем подробно останавливаться на них (исчерпывающее изложение теории аналитических сигналов лано в литературе, указанной в § I). Однако подчеркнем, что всюду, где будет вводиться сигнал, явным образом зависящий от времени он будет считаться комплексным и не имеющим отрицательных временных частот.

Свойства «изображения», формируемого соответствующим устройством, зависят от степени пространственной когерентности источника излучения. В формируемом изображении степень

пространстве иной когерентности находит выражение в том, как зависит от величина

где интервал времени, достаточно большой для рассматриваемого приложения. Полная когерентность имеет место, когда величина для любых двух точек х их, в которых величины конечны, тоже отлична от нуля. В случае полной пространственной некогерентности величина (3.6) равна нулю при значениях превышающих наименьший линейный размер самой малой детали, которая может быть разрешена устройством, формирующим изображение.

Отметим, что чертой над любой функцией времени в данной книге всегда обозначается усреднение по времени.

Излучение с пространственной когерентностью, промежуточной между полной и нулевой, почти не применяется, а потому далее будут рассматриваться только крайние случаи полной пространственной когерентности и полной пространственной некогерентности. Конечно, эти крайние случаи — идеализация, но на практике возможно то или иное приближение к ним. Например, это имеет место при отражении и преломлении излучений, испускаемых радио- и СВЧ-передатчиками, ультразвуковыми преобразователями и лазерами, с одной стороны, и различными естественными источниками излучения в природе — с другой. Поэтому и имеет смысл рассматривать только эти два предельных случая когерентности.

При оценке степени пространственной когерентности для удобства обычно рассматривают отдельные спектральные составляющие (изображений и излучений), считая их монохроматическими. Например, мгновенное изображение рассматривается в виде Идеальное записываемое изображение, которое мы будем обозначать символом выражается через следующим образом:

Отметим, что усреднение по времени в определении (3.7) должно проводиться по большому числу периодов центральной частоты поля, падающего на фокальную поверхность устройства, формирующего изображение. Временной интервал такого усреднения обычно составляет малую долю длительности реального процесса записи (например, экспонирования пленки, сканирования одного элемента

многоэлементного фотоприемника, получения достаточно большого сигнала СВЧ-приемника). Заметим, что миллион периодов видимого спета составляют только несколько наносекунд, а для большей части СВЧ-диапазона временной интервал в охватывает более тысячи периодов. С точки зрения обработки изображений различие между случаями пространственной когерентности и пространственеюй некогерентноети сводится к следующему:

В данной книге обработка изображений пространственно-когерентных полей не рассматривается главным образом из-за практических трудностей, связанных с реализацией «оптических» вычислений (§ 2). Далее там, где специально не оговаривается противное, предполагается, что

Если пренебречь шумом, который неизбежно вносится при записи изображений, а также считать искажение идеально изопланатичсским, функция совпадает с функцией в формуле (3.4). Это — следствие теоремы о свертке для фурье-образов (см. § 7, а также § 8, в котором далее рассматривается вопрос об изображениях пространственно-некогерентных источников). В соответствии с условием (3.9) в данной книге всюду, где специально не оговаривается противное, предполагается, что

Подчеркнем, что дифракционно-ограниченное изображение, поскольку диаметр апертуры (или зрачка) любого устройства, формирующего изображение, обязательно конечен. Если X — центральная длина волны излучения, то устройство, формирующее изображение, не может разрешить детали реальной картины источников, которые соответствуют углам, меньшим . В принципе сверхразрешение возможно, но лишь при условии, что размеры разрешаемых деталей в исходном изображении значительно превышают размер одного элемента изображения.

Искажения, обсуждавшиеся до сих пор в данном параграфе, могут компенсироваться методами, излагаемыми в гл. 3 и 6. Методы, вводимые

в гл. 7—9, пригодны как для компенсации указанных искажений, гак и для коррекции геометрических искажений и улучшения визуального качества изображений (см. соответствующие определения в § 2).

Искажения изображений возникают не только вследствие влияния среды распространения и несовершенства или неверной настройки устройства, формирующего изображение. Иногда они связаны с тем, что не допускают измерения или отсутствуют некоторые очень важные данные, как в задачах, рассматриваемых в гл. 4. В других случаях они могут быть связаны с процедурой измерений, которая, хотя в конечном счете и идеальна, вносит искажения, так что без дополнительной обработки изображения практически непригодны для использования, как в приложениях, обсуждаемых в гл. 5.