Journal articles - Компьютерная оптика
All articles: 2609
Методика и результаты исследований полимерных реплик дифракционных оптических элементов
Scientific article
Рассмотрены методика и результаты исследований реплик дифракционных оптических элементов (ДОЭ) на фотоотверждаемых полимерах. Показано, что полученные параметры реплик соответствуют основным требованиям при изготовлении ДОЭ.
Free
Scientific article
Дорожные дефекты являются одним из наиболее важных факторов при дорожно-транспортном происшествии, определяющим безопасность водителя, состояние автомобиля и скорость передвижения, поэтому они должны быть исправлены как можно скорее. К дефектам относятся трещины, колеи и выбоины на дорожном покрытии, и если их не исправлять в короткие сроки, то их размер будет расти каждый день. Есть различные методы, которые используются для обнаружения дорожных дефектов, одним из которых является метод компьютерного зрения. Типично цифровые камеры устанавливаются на автомобили, и затем выполняется обработка получаемого набора изображений от данного отрезка дороги. В данной статье предлагается методика получения изображения с помощью беспилотных летательных аппаратов, что позволяет собрать необходимые данные о состоянии дорожного полотна на больших по длине отрезках дороги. Предлагается методика выделения дефектов в виде трещин и оценки параметров, которые определены в нормативных документах. В результате проведенных исследований были получены и обработаны реальные изображения с помощью предложенной авторами методики, которая показала высокую скорость и точность, что указывает на возможность использования её на практике.
Free
Scientific article
Предложена неинвазивная методика автоматизированного обнаружения и оценивания динамики дефектов инженерных сооружений, основанная на обработке изображений, формируемых при периодических облетах инженерного сооружения беспилотными летательными аппаратами. Методика включает этапы детектирования дефектов, совмещения изображений дефектов с их изображениями, полученными с предыдущих облетов, и выявления динамики развития дефекта. Приведен пример реализации и апробации методики для задачи обнаружения и оценивания динамики трещин в металлических конструкциях мостовых переходов. Методика позволяет существенно сократить затраты на мониторинг состояния дефектов инженерных сооружений при увеличении вероятности обнаружения дефектов.
Free
Scientific article
Для расчета дифракционной эффективности дифракционных оптических элементов с двухслойной микроструктурой и двумя внутренними пилообразными рельефами в рамках строгой электромагнитной теории дифракции предложен подход, предполагающий расчет эффективности элемента в целом через эффективность каждой зоны микроструктуры в отдельности. Данный подход положен в основу методики расчета дифракционной эффективности, которая учитывает нормированную площадь каждой зоны двухслойной микроструктуры, температурные зависимости глубин обоих рельефов и их показателей преломления, а также локальное взаимное смещение слоев микроструктуры из-за разницы коэффициентов теплового расширения их материалов. Представлен математический аппарат предложенной методики, минимизирующий вычислительную трудоемкость, а её эффективность продемонстрирована на примере расчета дифракционной эффективности дифракционного элемента сверхвысокоапертурного рефракционно-дифракционного атермального двухдиапазонного инфракрасного объектива. Показано, что из-за перепада температуры эксплуатации (от – 40°С до + 60°С) дифракционная эффективность падает не более чем на 7 % во всем рабочем спектральном диапазоне (3,5 – 5,2 мкм; 7,5 – 11,4 мкм) и допустимом интервале углов (от – 14°до + 14°) падения излучения на микроструктуру.
Free
Методика оценки объема гранулы полимерного геля в оптической микрометрии
Scientific article
В работе предложен алгоритм обработки фотографии полимерной гранулы с целью определения ее объема. Исследованы факторы, влияющие на результат автоматической обработки данных в методе оптической микрометрии. Показано, что по контуру гранулы эллиптического типа алгоритм определяет ее объем с относительной погрешностью 0,4 %, что соответствует ошибке определения диаметра гранулы в 1 пиксель.
Free
Scientific article
Работа посвящена разработке методики первичной юстировки волоконной линзы и канального волновода фотонной интегральной схемы с использованием методов компьютерного зрения. Описана конструкция и основные узлы системы технического зрения с освещением юстируемых объектов в отраженном свете. Методика включает поиск пространственного положения торца фотонной интегральной схемы, зафиксированной под углом 90 ± 1° к горизонтальной оси кадра, поиск координат кончика и угла волоконной линзы и последующую корректировку положения волоконной линзы с помощью системы манипуляторов. Представлены метод поиска и отбора единственной линии, соответствующей торцу фотонной интегральной схемы, с помощью преобразования Хафа; способы группировки разрывных контуров волоконной линзы и поиска истинного контура на основе априорной информации о геометрии линзы; варианты подавления шумов и учета различных дефектов на изображениях. Экспериментально показано, что погрешность определения угла волоконной линзы зависит от расстояния между линзой и торцом фотонной интегральной схемы. Установлено, что представленная методика позволяет определять продольное и угловое смещения между волоконной линзой и торцом фотонной интегральной схемы с абсолютными значениями погрешностей
Free
Scientific article
Определяется влияние априорных сведений о независимости случайных величин на аппроксимационные свойства непараметрической оценки плотности вероятности Розенблатта-Парзена. Предлагается новая методика формирования наборов независимых компонент многомерной случайной величины. Методика основывается на проверке гипотез о независимости сочетаний компонент многомерной случайной величины с использованием двухальтернативного непараметрического алгоритма распознавания образов ядерного типа, соответствующего критерию максимального правдоподобия. Классы соответствуют областям определения плотностей вероятностей наборов независимых и зависимых компонент многомерной случайной величины. Для оценивания плотностей вероятностей используются непараметрические статистики ядерного типа. Выбор коэффициентов размытости ядерных оценок плотностей вероятностей осуществляется из условия минимума среднего квадратического критерия. Последовательная процедура формирования набора независимых компонент начинается с анализа парных сочетаний компонент многомерной случайной величины. Для каждой пары компонент вычисляется оценка вероятности ошибки распознавания классов, соответствующих предположениям независимости и зависимости рассматриваемых компонент. Определяется пара компонент с максимальным отличием этих ошибок. Если полученные ошибки достоверно не отличаются, то в рассматриваемой многомерной случайной величине независимые компоненты отсутствуют. При достоверном отличии оценок вероятностей ошибок распознавания классов устанавливается пара независимых компонент. Эти компоненты входят в набор из трёх компонент многомерной случайной величины. Анализ их сочетаний осуществляется аналогично по представленным выше рекомендациям. Правилом остановки процесса формирования набора независимых компонент является отсутствие достоверного отличия между вероятностями ошибок распознавания ситуаций, принадлежащих принятым классам. В этом случае предыдущий набор независимых компонент является искомым результатом. В отличие от традиционной методики, основанной на применении критерия Пирсона, предлагаемый подход позволяет обойти проблему декомпозиции области значений случайных величин на многомерные интервалы. Методика формирования набора независимых компонент многомерной случайной величины иллюстрируется результатами анализа спектральных признаков данных дистанционного зондирования лесных массивов с использованием космической съёмки со спутника Landsat-8.
Free
Scientific article
Предложена методика измерений и описан алгоритм функционирования интеллектуального модуля волоконно-оптического анализатора. Разработана и приведена конструкция установки для обнаружения ранней катаракты глаза на основе волоконно-оптического анализатора. Описана математическая модель установки для обнаружения ранней катаракты глаза с оптической насадкой.
Free
Scientific article
В работе рассматривается новая методика проверки гипотез о распределениях многомерных спектральных данных дистанционного зондирования. Предлагаемая методика основана на использовании непараметрических алгоритмов распознавания образов. Проверка гипотезы о тождественности двух законов распределений многомерных случайных величин заменяется на проверку гипотезы о равенстве ошибки распознавания образов значению 0,5. Применение данной методики позволяет исключить проблему декомпозиции области значений случайных величин на многомерные интервалы, которая свойственна для критерия Пирсона. Её эффективность подтверждается результатами проверки гипотез о распределении спектральных данных дистанционного зондирования лесных массивов. Проводится анализ законов распределения следующих состояний лесных массивов: темнохвойный лес, повреждённые и сухие древостои. Исходная информация получена по данным дистанционного зондирования территории юга Сибири с помощью аппарата Landsat по 6 спектральным каналам. Результаты исследований являются важными для формирования набора значимых спектральных признаков в задаче оценивания состояний лесных массивов.
Free
Scientific article
В статье представлена методика проектирования объективов-апохроматов с радиально-градиентной линзой, неоднородный оптический материал которой может быть получен одной из аддитивных технологий и успешно описан в рамках двухкомпонентной линейной модели. В рамках этой модели получены использующиеся в представленной методике формулы для дисперсионных характеристик радиально-градиентных линз. Сама же методика направлена на получение предельно возможных оптических характеристик у простых по конструкции объективов. Отличительной особенностью методики является то, что уже на первоначальном этапе расчёта объектива-монохромата обеспечивается будущая апохроматизация, сопровождающая переход к полихроматическому излучению. Это достигается сочетанием оптимизации по конструктивным параметрам объектива-монохромата с соответствующим подбором двух компонентов композитного материала градиентной линзы и оптических материалов двух однородных линз. Даны рекомендации по использованию программы оптического проектирования ZEMAX для оптимизации и специализированного пользовательского макроса для перебора оптических материалов и оценки степени достигнутой апохроматизации. Эффективность представленной методики и рекомендаций по её практическому использованию демонстрируется результатами расчёта инфракрасного триплета, который при относительном отверстии 1:0,88 и в двойном спектральном диапазоне (3,5--5 и 8--11,9 мкм) формирует изображение по всему полю с контрастом не ниже 0,56 на пространственной частоте 30 мм^-1^. Этот результат подтверждает, что при использовании представленной методики апохроматизация не сопровождается сколь-нибудь серьёзным нарушением коррекции полевых аберраций, достигнутой на монохроматическом этапе расчёта, что позволяет обеспечить высокое качество изображения при значительной светосиле.
Free
Scientific article
Приведена методика проектирования репродукционных гибридных объективов-монохроматов, включающих две градиентные и одну дифракционную линзы. Конструктивные параметры объектива, получаемые на основе данной методики, обеспечивают достаточно быструю сходимость аберрационных рядов и минимизацию монохроматических аберраций 3-го и 5-го порядков. В качестве примера предложенной методики рассмотрен расчет симметричного репродукционного объектива, работающего с единичным увеличением.
Free
Scientific article
Рассмотрены методология и алгоритмы получения дальностных 3D-портретов объектов по 2D-распределениям интенсивности усеченных реализаций отраженного лазерного излучения. Исследованы методические и инструментальные аспекты повышения разрешающей способности 3D-портретов по глубине рельефа поверхности. Получены уравнения зависимости разрешающей способности по рельефу от оптического контраста поверхности объекта. Показано, что разрешающая способность может быть менее 1 см. Предложенная методология и алгоритмы при одинаковой мощности зондирующих импульсов позволяют в десятки раз увеличить дальность действия 3D-лидаров по сравнению с ToF-технологией на основе алгоритмов «Range gated imagers», а также обеспечивают возможность реализации данной методологии на общедоступной элементной базе без необходимости применения специализированных интегральных ToF-процессоров.
Free
Scientific article
В работе авторами используются методы классификации спутниковых изображений для выделения четырёх основных типов землепользования: водные ресурсы, территория застройки, леса и сельскохозяйственные поля. Для исследования пространственно-временной динамики роста города и изменений в землепользовании в районе города Самары были использованы спутниковые снимки Landsat за пять периодов времени с 1975 по 2015 годы. Вычисление изменений площадей всех типов землепользования в различные периоды времени производилось при помощи программного обеспечения ArcGIS с учётом демографических данных. В ходе исследований была получена оценка изменения площади территории застройки в зависимости от роста численности населения.
Free
Scientific article
Рассматриваются алгоритмы проекции цифровых изображений в собственные подпространства в рамках линейных методов PCA, LDA, PLS и CCА. Приводится история развития этих методов за последние 100 лет на фоне появления новых областей их применения и меняющихся в связи с этим требований к ним. Показано, что развитие было инициировано четырьмя основными требованиями, вытекающими из современных задач и практики цифровой обработки изображений и, в первую очередь, изображений лиц. Первым является требование использования методов PCA, LDA, PLS и CCА в условиях как малой, так и чрезвычайно большой выборки изображений лиц в исходных наборах. Второе требование связано с критерием, определяющим собственный базис, который должен обеспечить, например, минимум ошибки аппроксимации изображений лиц, улучшение кластеризации в собственном подпространстве или максимум корреляции (ковариации) между наборами данных в подпространстве. Третье - связано с возможностью приложения рассматриваемых методов к задачам обработки двух и более наборов изображений с различных сенсорных источников или нескольких наборов любых числовых матриц...
Free
Scientific article
Статья посвящена разработке методов и критериев идентификации подвижных объектов при их групповом наблюдении пассивными цифровыми оптическими локаторами. Анализируются подходы к решению задачи идентификации объектов наблюдения, приводится математическая модель перспективной измерительной системы и некоторые результаты практических исследований. Разработанная модель может быть использована в различных измерительных и контрольно-наблюдательных системах реального времени для раздельного оценивания движения объектов в группе.
Free
Scientific article
Описаны методы, алгоритмы и средства малоракурсной спектрально-томографической диагностики параметров плазменных потоков: пространственное распределение локальных температур, концентраций для малогабаритных плазменных эжекторов (двигателей ориентации, малой тяги).
Free
Методы кодирования композиционных ДОЭ
Scientific article
Рассмотрены методы кодирования для расчета композиционных ДОЭ. Предложена модификация метода частичного кодирования, ориентированная на использование пространственного модулятора света. Рассмотрены композиционные ДОЭ для формирования различных заданных изображений на различных плоскостях, а также различных изображений для различных длин волн.
Free
Методы коррекции цвета и яркости при создании панорамных изображений
Scientific article
При создании бесшовных панорам из набора перекрывающихся изображений, полученных с различных камер, области перекрытия могут сильно различаться по освещённости и цветовым оттенкам на соседних изображениях. В данной работе рассматриваются различные подходы к смешению цветов при сшивке и алгоритмы предварительной цветокоррекции исходных изображений. Предложен способ параллельной оценки корректирующих коэффициентов по всем границам стыковки изображений. Получены сравнительные оценки цветового, структурного подобия внутри областей перекрытия, а также показана плавность перехода яркости в панораме.
Free
Scientific article
Лечение диабетической ретинопатии с использованием лазерной коагуляции сетчатки по зонам глазного дна, выбираемым врачом, обеспечивается на основе наведения лазера, после чего осуществляется обстрел, способствующий образованию коагулятов, которые препятствуют кровоизлияниям. Основная проблема при проведении лазерной коагуляции заключается в выборе зон обстрела так, чтобы охватить все проблемные области и подобрать параметры лазерного воздействия, чтобы излишне не повредить сетчатку. У каждого пациента индивидуальная структура глазного дна. Необходимо учитывать индивидуальное строение патологических и анатомических элементов, чтобы достичь требуемого терапевтического эффекта. Терапевтический эффект достигается при образовании коагулятов во всех областях, в которых происходит кровоизлияние. Сосудистый слой должен нагреться до достаточной температуры, чтобы образовался коагулят, но при этом не должна быть повреждена сетчатка. Такой эффект можно прогнозировать при помощи математического моделирования лазерного воздействия. В настоящей работе рассматриваются методы математического моделирования лазерного воздействия, основанные на уравнении теплопроводности. Проводится сравнение методов по вычислительной сложности и устойчивости решения. Выполняется анализ возможности прогнозирования терапевтического эффекта при помощи методов математического моделирования лазерного воздействия.
Free
Scientific article
Цель статьи – создать эффективный метод контроля состояния бурильной колонны и долота без вмешательства в сам процесс бурения в режиме малой задержки. Для непрерывного контроля процесса бурения скважин разработана экспериментальная установка, работающая на основе использования фазометрического метода контроля. Любое перемещение долота вызывает изменение электрических характеристик зондирующего сигнала. Для получения устойчивого сигнала с глубины погружения долота до 250 м использовали частоту зондирующих электрических сигналов 166 Гц и амплитуду до 500 В; частота дискретизации (аналого-цифровой преобразователь) АЦП – 10101 Гц. Для выявления состояния бурильной колонны и долота по графикам зависимостей изменения электрических характеристик зондирующего сигнала от времени авторы статьи исследовали ряд методов глубокого обучения. Опираясь на результаты исследования, была выбрана линейка методов капсульной нейронной сети (CapsNet). Авторы разработали модификации 2D-CapsNet на основе оконного преобразования Фурье (WFT) и вейвлет-преобразования частотного среза (FSWT) (WFT-2D-CapsNet и FSWT-2D-CapsNet соответственно). Оба этих метода показали точность определения перехода между двумя слоями горных пород с разными свойствами 99 %, что на 2–3% выше, чем результаты современных исследований горных пород на основе измерений в процессе бурения (MWD) и каротажа в процессе бурения (LWD). Оба этих метода однозначно выявляют автоколебания в бурильной колонне. При определении полностью исправного долота в случае автоколебаний метод (FSWT)-2D-CapsNet показал точность 99%.
Free
