Journal articles - Компьютерная оптика
All articles: 2609
Scientific article
Предложен аналитический подход к вычислению непрерывных скелетов с эллиптическими структурирующими элементами (эллиптических скелетов). Описан переход между дисковыми скелетами и эллиптическими скелетами. На основе эллиптических скелетов предложен вычислительно эффективный дискретно-непрерывный подход к построению морфологических дескрипторов (спектров и карт) с фиксированными эллиптическими структурирующими элементами. Введены понятия морфологических эллиптических карт и спектров размеров, направлений, вытянутости по произвольным эллиптическим структурирующим элементам. Определены двумерные спектры по различным сочетаниям факторов размера и формы. Предложенные эллиптические спектры могут применяться как для сегментации фигуры на области различной толщины и/или направления, так и в качестве дескрипторов формы для распознавания типа наблюдаемых фигур.
Free
Scientific article
Описаны атрибутные и реляционные представления моделей мозаичных изображений с направленными отношениями. Рассмотрены атрибутные представления асимметричных реляционных моделей на основе стековых, ранговых и интегральных описаний. Введены морфологические меры сходства на основе реляционных моделей. Показано, что на основе одной и той же ориентированной реляционной модели могут быть введены различные морфологические операторы, в частности, типа Серра и типа Пытьева. Предложены способы построения таких морфологических операторов в атрибутном и реляционном домене. Описана новая морфологическая схема двухэтапной взаимной адаптивной фильтрации изображения и формы, на первом шаге которой происходит упрощение (проецирование) формы c учетом изображения, а на втором - упрощение (проецирование) изображения c учетом формы.
Free
Scientific article
На основании анализа опубликованных работ по обеспечению безопасности критически важных объектов от террористических угроз сделан вывод о необходимости дополнить предложенные в литературе мультисенсорные комплексы видеоаналитической системой для повышения надёжности обнаружения несанкционированных вторжений на территории ограниченного доступа и распознавания намерений вторгшихся лиц. Предложен алгоритм для решения первой части задачи, основанный на реализации принципа накопления. Частично затронут вопрос о распознавании намерений вторгшегося субъекта. Приведены оценки вероятностей 1-го и 2-го рода, обеспечиваемые предложенным алгоритмом обнаружения вторжений.
Free
На пути использования смартфона в качестве гиперспектральной камеры
Scientific article
Спектральная реконструкция из RGB-изображений – одна из актуальных задач вычислительной фотографии, но на сегодняшний день даже самые современные алгоритмы не обеспечивают приемлемую точность. Любопытно, что в этой задаче современные мобильные устройства открывают новую возможность повышения качества реконструкции за счёт использования изображений сразу с нескольких камер. Это даёт почву для создания мобильной гиперспектральной камеры для широкого круга пользователей. В работе исследован вопрос достижимой точности при использовании одновременно нескольких одинаковых камер в сочетании с различными спектральными фильтрами. Предложено два алгоритма для поиска оптимальных фильтров для случаев обучения линейной регрессии и полносвязной нейронной сети в качестве алгоритма реконструкции. В результате вычислительных экспериментов было установлено, что в случае 4 камер и 4 фильтров точность реконструкции в три раза выше, чем при восстановлении из RGB-изображений.
Free
Наблюдаемость кристаллических решёток по нескольким узлам на изображениях их проекций
Scientific article
В статье рассматривается задача о наблюдаемости трёхмерной кристаллической решётки. В предположении о вращательном характере движения решётки относительно плоскости наблюдения получены аналитические выражения определения наблюдаемости кристаллической решётки в общем случае при наблюдении двух и более узлов на проекции. Рассмотрены частные случаи для определения условий наблюдаемости кубической ячейки при некоторых значениях индексов узлов.
Free
Наблюдение оптического эффекта "углового трактора" в пучке Бесселя
Scientific article
В работе изучается оптический эффект «углового трактора», заключающийся в том, что в вихревом лазерном пучке с радиальной симметрией с положительным/отрицательным топологическим зарядом и левой/правой круговой поляризацией на разных радиусах от центра пучка в поперечном сечении поток световой энергии вращается в разных направлениях (по часовой или против часовой стрелки). Показано, что этот эффект имеет место как для параксиальных вихревых пучков, так и в фокусе апланатической системы при фокусировке непараксиального оптического вихря. Экспериментально продемонстрировано движение диэлектрических микрочастиц в пучке Бесселя 3-го порядка с круговой поляризацией в разные стороны (по часовой и против часовой стрелки).
Free
Наноразмерные эффекты в полевой эмиссии электронов ультратонкими металлическими плёнками
Scientific article
В рамках метода гамильтониана переноса Бардина рассматривается полевая эмиссия электронов наноразмерными структурами. Предложена модель, в которой учитывается конечный размер эмиттера в направлении эмиссии электронов. Эмиссия рассматривается как туннельный переход между двумя многочастичными электронными квантовыми состояниями. Получены формулы и предложен алгоритм вычислений. В упрощённой модели выполнены численные оценки на величину наноразмерных эффектов в процессах полевой эмиссии электронов ультратонкими металлическими плёнками.
Free
Нанофокусировка с помощью заострённых структур
Scientific article
В работе показана возможность нанофокусировки в ближнем поле не только с помощью металлических, но также и диэлектрических структур с резкими краями. Исходя из векторных интегралов Рэлея-Зоммерфельда, показан эффект экстраординарного усиления продольной компоненты электромагнитного поля вблизи разрывов функции падающего поля, связанных с резкими скачками в рельефе оптического элемента. Методом конечных элементов выполнено моделирование дифракции электромагнитного излучения на остриях металлических структур, а также диэлектрических структур, имеющих высокий показатель преломления. Показано, что получаемый размер фокусного пятна по полуспаду интенсивности FWHM (full width at a half maximum) почти прямо пропорционально зависит от радиуса кривизны острия структуры. Для острой фокусировки предложена оптическая схема, состоящая из накопителя, собирающего и направляющего излучение на нанофокусатор. В качестве накопителя предлагается использовать рефракционный аксикон, собирающий излучение на свою вершину, где располагается нанофокусатор - алюминиевая или кремниевая наносфера. При этом необходимо освещать аксикон пучком с вихревой фазовой зависимостью первого порядка или радиально-поляризованным пучком. Предложенная схема способна обеспечить локализацию излучения в световом пятне размером FWHM = l/400.
Free
Нанофотоника - манипулирование светом с помощью наноструктур
Scientific article
Стенограмма доклада на семинаре по компьютерной оптике и обработке изображений. Приводятся некоторые интересные результаты по нанофотонике, полученные в 2004-2008 годах ведущими научными группами. Показаны различные варианты локализации света в наноразмерных областях с помощью проволочных наносветоводов, нанорезонаторов, фотонных кристаллов. Свет при этом может быть заключен в область, размер которой в 10-15 раз меньше длины волны в вакууме.
Free
Нанофотоника и дифракционная оптика
Scientific article
Показано, что достижения дифракционной оптики в значительной мере определяют развитие ряда направлений нанофотоники таких как: метаматериалы; фотонные кристаллы; плазмоника; оптический захват и манипулирование нанообъектами; наномоделирование. Приводится решение ряда характерных задач нанофотоники по перечисленным направлениям на основе методов дифракционной компьютерной оптики.
Free
Направление потоков энергии в фокусе цилиндрических вихревых векторных пучков
Scientific article
В работе аналитически с помощью формализма Ричардса–Вольфа и с помощью моделирования показано, что при острой фокусировке оптического вихря с круговой поляризацией в плоскости фокуса имеют место три потока энергии: прямой продольный, обратный продольный и азимутальный поперечный. Причем вращение энергии на разных расстояниях от оптической оси происходит в разных направлениях. Поэтому плоскость фокуса вдоль оптической оси пересекает в единицу времени только часть начальной энергии пучка. Такая же часть (при прочих равных условиях) пересекает плоскость фокуса вдоль положительного направления оптической оси, если сфокусировать оптический вихрь с цилиндрической поляризацией. Отличие состоит в том, что если присутствует оптический вихрь, то поперечный поток энергии в фокусе вращается вокруг оптической оси, а если оптический вихрь отсутствует (пучок только с цилиндрической поляризацией), то в плоскости фокуса в среднем поперечный поток равен нулю, но в некоторых местах плоскости фокуса поток направлен к оптической оси, а в некоторых местах – от оптической оси.
Free
Нахождение констант распространения методом Крылова при расчете мод фотонных волноводов
Scientific article
В работе численно исследована эффективность метода Крылова решения нелинейной задачи на собственные значения при расчете констант распространения собственных мод фотонного волновода. Матрица этой нелинейной задачи на собственные значения имеет размерность N Ч N, где N пропорционально числу локальных синусоидальных мод, с помощью которых аппроксимируются собственные моды волновода.
Free
Scientific article
Основная проблема использования стандартных методов оптимизации заключается в необходимости изменять все параметры шагами одинакового размера, независимо от поведения градиента. Более эффективный способ оптимизации нейронной сети состоит в том, чтобы установить адаптивные размеры шага для каждого параметра. Стандартные методы основаны на квадратных корнях экспоненциальных оценок моментов квадратов прошлых градиентов и не используют локальное изменение градиентов. В работе представлены методы адаптивной невыпуклой и доверительной оптимизации с положительно-отрицательной оценкой моментов с соответствующими теоретическими гарантиями сходимости. Данные подходы позволяют более точно сходиться функции потери в области глобального минимума за меньшее количество итераций. Использование преобразований положительно-отрицательной оценки момента и дополнительного параметра, регулирующего размер шага, позволяют обходить локальные экстремумы для достижения более высокой производительности по сравнению с аналогичными методами. Внедрение разработанных алгоритмов в процесс обучения различных архитектур мультимодальных нейросетевых систем анализа гетерогенных данных позволило повысить точность распознавания пигментных новообразований кожи на 2,33 - 5,69 процентных пункта по сравнению с известными методами оптимизации. Мультимодальные нейросетевые системы анализа разнородных дерматологических данных, обученные с применением предложенных алгоритмов оптимизации, могут использоваться в качестве инструмента вспомогательной медицинской диагностики, который позволит сократить потребление финансовых и трудовых ресурсов, задействованных в медицинской отрасли, а также повысить шанс раннего выявления пигментных онкопатологий.
Free
Scientific article
На примере волоконно-оптической измерительной сети томографического типа выполнено исследование алгебраических и нейросетевых методов реконструкции распределенных физических полей. Выявлены преимущества и недостатки нейросетевого подхода. Предложен нейро-итерационный алгоритм, сочетающий в себе преимущества нейросетевых и алгебраических методов реконструктивной томографии.
Free
Scientific article
В настоящей работе предложен новый подход к классификации гиперспектральных изображений высокого разрешения в прикладной задаче определения типов сельскохозяйственной растительности. В качестве классификатора используется спектрально-пространственная сверточная нейронная сеть с компенсацией вариаций освещения. Для автоматизированного формирования обучающей выборки предложен алгоритм на основе адаптивного вегетационного индекса. Показана эффективность предложенного подхода в задаче классификации типов растительности по результатам съемок сельскохозяйственных угодий, выполненных сканирующей гиперспектральной камерой.
Free
Scientific article
Статья посвящена анализу возможности оценки эмоционального состояния человека по особенностям работы головного мозга с использованием неинвазивных нейро-компьютерных интерфейсов. Проведен анализ публикаций последних лет, посвященных применению сигналов электроэнцефалограммы (ЭЭГ) для оценки эмоционального состояния, выявлены актуальные проблемы в этой области. Описаны основные подходы к стимуляции головного мозга для получения информативных сигналов ЭЭГ, а также методы их анализа и распознавания. Предложена архитектура глубокой сверточной нейронной сети для анализа данных ЭЭГ, а также нейросетевая модель искусственного интеллекта для классификации 4 эмоций (страх, счастье, печаль, спокойствие) по шкале валентности-арозальности Рассела на основе двух сверточных нейронных сетей. Проведен эксперимент с участием 50 человек, которые просматривали эмоционально окрашенные видеоролики. Собраны данные ЭЭГ 50 испытуемых, которые использовались для обучения и тестирования нейросетевой модели. Результаты показали высокую точность классификации эмоций (94%±3,4%) с использованием беспроводного нейроинтерфейса.
Free
Scientific article
Данная работа посвящена задаче распознавания людей по лицу в видеопоследовательности. В работе предложена нейросетевая модель, которая для входного набора изображений лица человека строит компактное признаковое представление фиксированной размерности. Предложенная модель состоит из двух частей: модуль распознавания по изображению лица и модуль оценки качества изображения лица. Признаковые представления кадров из входного набора, полученные в результате работы модуля распознавания, агрегируются с учетом их полезности, которая оценивается модулем оценки качества. Визуальный анализ выявил, что предложенная нейронная сеть учится использовать больше полезной информации с изображений высокого качества и меньше - с размытых или перекрытых изображений. Экспериментальная оценка на базах YouTube Faces и IJB-A показала, что предложенный метод объединения признаков на основе оценок полезности изображений позволяет повысить качество распознавания по сравнению с базовыми методами агрегации.
Free
Нейросетевая реконструкция видеопотока в дифракционных оптических системах массового производства
Article
Возможность существенно снизить массу и стоимость систем технического зрения привела к появлению большого числа работ, посвященных разработке новых оптических схем на основе дифракционной оптики и новых подходов к реконструкции получаемых изображений. Получаемые системы демонстрируют достаточное для прикладных систем технического зрения качество изображений. Однако при создании таких прикладных систем возможны источники дополнительных потерь качества получаемого видеопотока. В настоящей работе исследовано влияние на итоговое качество реконструируемого видеопотока таких факторов, как ограничения технологии массового производства дифракционной оптики, артефактов сжатия видеопотока с потерями, а также особенностей нейросетевого подхода к реконструкции. Предложена сквозная нейросетевая технология реконструкции изображений, позволяющая компенсировать дополнительные факторы потери качества и получить итоговый видеопоток с качеством, достаточным для решения прикладных задач технического зрения.
Free
