Статьи журнала - Компьютерная оптика
Все статьи: 2572
Сплайны как средство построения эффективных алгоритмов локального линейного преобразования
Статья научная
В работе рассматривается частное решение общей задачи синтеза эффективного алгоритма вычисления свертки, возникающее при использовании сплайнов для представления конечной импульсной характеристики (КИХ). Исходя из необходимых условий строгой эффективности индуцированного алгоритма, которые были сформулированы в предыдущей работе [13] в виде требований к неоднородному ЛРС (определяющему отсчеты КИХ), и установленной в настоящей работе явной связи между основными характеристиками сплайна и его представлением в виде ЛРС, приведено обоснование использования сплайнов для решения задачи синтеза эффективного алгоритма. Представлен алгоритм модели CR вычисления свертки, порождаемый произвольным сплайном с конкретными характеристиками. Приведены явные выражения для вычислительной сложности порождаемого алгоритма для случаев обобщенных и полиномиальных сплайнов. При ограничении множества сплайнов параметрами (порядок-число узлов) приведены верхние и нижние границы для вычислительной сложности порождаемых этими сплайнами алгоритмов вычисления свертки. Введено понятие МС-сплайнов, как сплайнов, для которых величина сложности реализации порождаемого ими алгоритма достигает своей нижней границы. Приведены примеры построения полиномиальных МС-сплайнов.
Бесплатно
Способ оценки четкости фотореалистичных изображений с высоким разрешением
Статья научная
В статье предлагается способ оценки четкости фотореалистичных изображений, основанный на сравнении коэффициента детальности оригинального и искаженного изображений. В алгоритме идентификации мелких структур оригинального изображения используются операции сегментации активных пикселей, к которым относятся точечные объекты, тонкие линии и фрагменты текстуры. Количество активных пикселей оценивается значением коэффициента детальности, которое определяется отношением активных пикселей к общему количеству пикселей изображения. Этот же алгоритм используется для вычисления значения коэффициента детальности искаженного изображения, и далее оценивается снижение четкости с помощью сравнения полученных значений. К особенностям способа относится то, что идентификация мелких структур и сегментация активных пикселей выполняется в нормированной системе N-CIELAB.Также в алгоритме учитывается влияние ложных микроструктур на результаты оценки реставрированного изображения. Рассматриваются особенности построения нейронных сетей SRCNN в задачах качественного повышения разрешения изображения с восстановлением мелких структур. Приводятся результаты анализа качества увеличенных изображений по традиционным метрикам PSNR и SSIM, а также по предлагаемому способу.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается задача подключения антенной решётки радиоизлучения к волоконно-оптической линии системы Radio-over-Fiber для широкополосного сигнала. Для устранения частотно-пространственной зависимости диаграммы направленности предложено включить излучатели антенной решётки через разработанное оптическое устройство, разветвляющее оптические сигналы в соответствии с заданными частотными полосами. Разработана методика расчёта структуры электромагнитного поля внутри рабочего тела предложенного оптического устройства. Установлено, что показатель преломления оптической рабочей области должен иметь требуемое 3D-распределение. Намечен подход к обеспечению заданного свойства.
Бесплатно
Способ управления качеством передачи мелких структур изображений в стандарте JPEG2000
Статья научная
В статье предлагается способ управления качеством передачи мелких структур изображений в стандарте JPEG2000 на основе автоматической регулировки параметров квантования коэффициентов дискретного вейвлет-преобразования. Описывается алгоритм настройки параметров шкалы квантования по субдиапазонам трансформации коэффициентов ДВП в зависимости от заданных (допустимых) искажений. Для объективной оценки качества изображений использованы числовые меры искажений мелких деталей в нормированной колометрической системе N-CIELAB, по которым выполняется анализ их структурных признаков. Приводятся результаты экспериментальных исследований анализа качества изображений и эффективности сжатия в зависимости от параметров квантования в разработанном адаптивном алгоритме сжатия. Также приводятся результаты оценки быстродействия алгоритма, которые могут быть использованы для практического применения в мультимедийных приложениях.
Бесплатно
Способ формирования вихревого поля СВЧ-диапазона
Статья научная
Предложена структура в виде неоднородности на торце круглого волновода, предназначенная для формирования вихревого поля СВЧ-диапазона. Проводится построение ее численной модели. Проведенные численные эксперименты подтверждают возможность формирования вихревого поля СВЧ-диапазона на предложенной структуре. В работе также выбран наиболее целесообразный материал для изготовления неоднородности на торце круглого волновода.
Бесплатно
Способ формирования цифрового водяного знака для физических и электронных документов
Статья научная
В статье предложен универсальный способ формирования водяного знака как для физических, так и для электронных документов. Подобный водяной знак может применяться как для проверки подлинности документов, так и для скрытой передачи информации. Описан порядок обмена информацией между сторонами для обоих случаев. Проведён анализ сложности обнаружения наличия водяного знака и извлечения встроенной информации третьей стороной, показавший работоспособность предложенного метода.
Бесплатно
Способы дискретизации энергетических характеристик двумерных случайных сигналов
Статья научная
Статья посвящена способам дискретизации энергетических характеристик двумерных случайных сигналов в рамках имитации случайных сигналов по оригинальному гармоническому методу, являющемуся обобщением известного алгоритма В.С. Пугачёва на двумерный случай. Требования к способу дискретизации выдвигаются с целью снижения вычислительной сложности метода имитации и повышения его гибкости за счёт снятия ограничений по виду автокорреляционных функций и функций спектральной плотности энергии. Предлагается применение погрешности имитации в роли критерия оценки качества. Способ дискретизации рассмотрен для сигналов, заданных как на неограниченных интервалах определения, так и на ограниченных. В статье продемонстрированы результаты работы программной системы, реализующей оригинальный метод имитации с применением описанных способов дискретизации, в обоих случаях. Показана работоспособность и эффективность полученных результатов, которые имеют как самостоятельное научно-техническое значение, так и могут быть использованы для разработки новых эффективных спектральных средств имитации сигналов для использования в интеллектуальных системах поддержки принятия решений.
Бесплатно
Способы повышения точности гармонического метода имитации двумерных сигналов
Статья научная
Статья посвящена рассмотрению свойств гармонического метода имитации в рамках спектральной теории и оценке качества этого метода. Проведён обзор литературы о существующих методах моделирования многомерных случайных полей, позволивший выполнить сравнение этих методов, при этом критериями сравнения были сложность алгоритма, вычислительные затраты и требования к памяти, требования к ковариационной функции и сетке. Выявлены слабые места, такие как недостаточная точность и высокая вычислительная сложность, характерные для спектральных методов имитации, к которым относится гармонический метод. Рассмотрены формы сымитированного гармоническим методом сигнала для разных базисов: обнаружено свойство центросимметричности для квадратных сигналов в базисе Фурье, подобное ему свойство для прямоугольных сигналов в базисе Фурье, свойство симметричности квадратного сигнала в базисе Хартли и отсутствие подобных свойств у прямоугольного сигнала, сымитированного в базисе Хартли. Проведён сравнительный анализ точности имитации двумерных сигналов, как частного случая многомерных, гармоническим методом в базисах Фурье и Хартли. Демонстрируется, что в зависимости от характеристик дискретизации сымитированный сигнал в базисе Фурье отличается от этого же сигнала, сымитированного в базисе Хартли, по точности. Как следствие выполненного исследования, сформированы рекомендации по выбору базиса в конкретной задаче имитации двумерных сигналов. Описано влияние обнаруженных свойств на вычислительную сложность метода. Предложены способы применения этих свойств для имитации произвольных двумерных сигналов.
Бесплатно
Сравнение алгоритмов выделения области интереса на компьютерных томограммах легких
Статья научная
Рассматривается автоматическое создание масок для выделения лёгких на компьютерных томограммах с помощью трёх подходов: метода Оцу, простой свёрточной нейронной сети, состоящей из 10 одинаковых слоёв, и свёрточной нейронной сети U-Net. Произведено исследование и сравнение используемых методов автоматического выделения области интереса на реальных изображениях компьютерной томографии лёгких, полученных в Клиниках СамГ-МУ. Решение данной задачи актуально, так как она является первым этапом при автоматизированном поиске патологических изменений на изображениях компьютерной томографии. Предложен алгоритм постобработки изображений, основанный на поиске контуров, который позволяет повысить качество сегментации. Сделан вывод о том, что U-Net выделяет область интереса, относящуюся к легкому, несколько лучше, чем два других подхода. При этом простая свёрточная нейронная сеть обеспечивает достоверность сегментации 97,5 %, что лучше достоверности сегментации 96,7 %, достигнутой с помощью метода Оцу, и лучше достоверности сегментации 96,4 %, достигнутой с помощью нейронной сети U-Net.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлен анализ различных подходов к построению описаний полей градиентов цифровых изображений. Анализируемые подходы основаны на известных методах снижения размерности данных, таких как методы главных и независимых компонент, метод дискриминантного анализа. Мы применяем указанные методы не к исходному изображению, представленному в виде двумерного поля яркости (полутоновому изображению), а к его вторичному представлению в виде двумерного поля градиента - комплекснозначному изображению. При этом рассматриваются случаи использования как поля градиента целиком, так и только его фазовой части. Дополнительно рассматриваются два независимых способа формирования окончательного описания искомого объекта: в виде коэффициентов разложения поля градиента по сформированному базису и с использованием оригинальной авторской конструкции модельно-ориентированных дескрипторов. Последние позволяют в два раза снизить число вещественных коэффициентов, используемых при описании искомого объекта. В качестве конкретной прикладной задачи, на которой проводятся исследования, выступает проблема распознавания лиц. Эффективность анализируемых подходов демонстрируется путём сравнения результатов их применения к изображениям из базы данных “Extended Yale Face Database B”. Алгоритмом классификации выступает метод ближайшего соседа.
Бесплатно
Сравнение алгоритмов управляемой поэлементной классификации гиперспектральных изображений
Статья научная
Настоящая работа посвящена решению задачи выбора наилучшего алгоритма классификации гиперспектральных изображений (ГСИ). В сравнении участвуют следующие алгоритмы: дерево решений с использованием функционала скользящего контроля, дерево решений C4.5 (C5.0), байесовский классификатор, метод максимального правдоподобия, классификатор, минимизирующий СКО решения, включая частный случай - классификацию по сопряжённости, классификатор по спектральному углу (для эмпирического среднего и ближайшего соседа), а также метод опорных векторов (SVM). В работе приведены результаты исследований этих алгоритмов на гиперспектральных снимках, полученных со спутника AVIRIS и в рамках проекта SpecTIR.
Бесплатно
Сравнение аналитического и полученного конечно-разностным методом решений для круглого волокна
Статья научная
В настоящей работе рассматривается конечно-разностный метод расчета констант распространения и полей векторных мод круглых оптических волокон со ступенчатым профилем показателя преломления. Производится оценка точности полученного таким образом решения волнового уравнения с соответствующим аналитическим решением, которое является известным для данного типа волокон.
Бесплатно
Сравнение архитектур нейронных сетей для подавления мультипликативного шума на изображениях
Статья научная
В статье сравниваются различные методы фильтрации шумов на изображении с помощью нейронных сетей, при этом обрабатываемые изображения могут содержать как однородные области, так и малоразмерные объекты, и резкие границы. Используются сверточные и полносвязные нейронные сети. Показано, что различные архитектуры НС требуют существенно разного количества обучающего материала для достижения одинакового качества фильтрации. Приведены примеры сетей с пониженными требованиями к количеству обучающего материала.
Бесплатно
Сравнение бинарных дескрипторов особых точек изображений в условиях искажений
Статья научная
Статья посвящена обзору и анализу бинарных дескрипторов особых точек объектов на цифровых изображениях в условиях искажений. Приводится обзор методов BRIEF, ORB, BRISK, FREAK, AKAZE, LATCH. Выполнена оценка свойств дескрипторов на типовых наборах изображений. В работе затрагиваются проблемы использования данных методов для обработки изображений в режиме реального времени.
Бесплатно
Статья научная
С помощью матриц и векторов Джонса показано, что оптический элемент с метаповерхностью, анизотропное пропускание которого описывается матрицей поворота поляризации на угол m φ, φ - полярный угол, при освещении светом с линейной поляризацией формирует азимутальную или радиальную поляризацию порядка m . При освещении светом с круговой поляризацией такой элемент формирует оптический вихрь с топологическим зарядом m . Этот поляризационно-фазовый конвертор (ПФК) выполняет спин-орбитальное преобразование, аналогичное тому, которое выполняют жидкокристаллические q -пластинки. Численно FDTD-методом показано, что при освещении ПФК с m = 2 светом с линейной или круговой поляризацией и последующей острой фокусировкой с помощью бинарной зонной пластинки вблизи фокуса на оптической оси формируется обратный поток световой энергии, сравнимый по величине с прямым потоком. Причем обратный поток при фокусировке оптического вихря с топологическим зарядом 2 и с круговой поляризацией равен обратному потоку при фокусировке света с поляризационной сингулярностью 2-го порядка.
Бесплатно
Статья научная
Проведён сравнительный анализ возможностей метода гистограмм и метода последовательности ранжированных амплитуд при статистической параметризации работы однофотонного лавинного фотодетектора. Показано, что метод последовательности ранжированных амплитуд содержит в себе всю информацию, которую можно получить с помощью метода гистограмм, а также позволяет дать быстрое достоверное описание темновых отсчётов прибора для короткой (по сравнению с гистограммами) выборки из ~103 точек. Обнаруженные преимущества открывают перспективы внедрения метода последовательности ранжированных амплитуд в программное обеспечение высокочувствительных фотодетекторов.
Бесплатно
Сравнение двух подходов к построению наборов линейных локальных признаков цифровых сигналов
Статья научная
В работе производится сравнение двух подходов к построению наборов линейных локальных признаков (ЛЛП) цифровых сигналов. Первый из анализируемых подходов основан на формировании набора ЛЛП из отдельно конструируемых эффективных ЛЛП, каждый из которых имеет свой алгоритм вычисления признака. Второй подход предполагает построение эффективного набора ЛЛП, имеющего единый алгоритм совместного вычисления всех признаков. Сравнение как аналитическое, так и экспериментальное производится по нескольким показателям, отражающим вычислительные и качественные свойства конструируемых ЛЛП. Также производится экспериментальное сравнение двух сопоставляемых подходов с известными решениями.
Бесплатно
Статья научная
На примерах таких фотонно-кристаллических интерференционных оптических элементов, как изгибы волноведущих структур, узел пересечения трех волноводов, узел ввода излучения, Y-образный логический элемент «НЕ» и логический элемент «НЕ» на кристалле с самоколлимацией, рассматриваются два подхода к расчету элементов интегральной оптики: методы безградиентной оптимизации (методы оптимизации нулевого порядка) и генетический алгоритм. Оба подхода используют решение прямой задачи дифракции FDTD-методом. Делаются выводы о возможности применения данных подходов к расчету фотонно-кристаллических оптических элементов: сравнение рассчитанных результатов по критерию эффективности демонстрирует преимущество авторского модифицированного генетического алгоритма по сравнению с методами покоординатного спуска и Хука–Дживса для элементов, в которых излучение распространяется не по прямолинейному пути, а для элементов, проводящих излучение по прямому волноводу, методы оптимизации нулевого порядка дают такую же эффективность, как и генетическая оптимизация (более 99 %), при этом вычислительная сложность данных методов ниже. Особое внимание уделяется рассмотрению метода «частичного перебора». На примере изгиба фотонно-кристаллического волновода на 120° показано, что рассчитанный данным методом элемент характеризуется передачей излучения практически без потерь, при этом вычислительная сложность расчета в 2 раза меньше, чем у генетического алгоритма.
Бесплатно
Сравнение дискретного косинус и вейвлет-преобразований в системах сжатия raw-изображений
Статья научная
В статье приводится описание особенностей цифровой обработки сигналов изображения в процессе кодирования на основе дискретного косинус- и вейвлет-преобразований, используемых в стандартах сжатия JPEG и JPEG2000. Для сравнения дискретного косинус-преобразования и дискретного вейвлет-преобразования разработана цифровая модель системы, в которой реализованы одинаковые этапы обработки сигналов, кроме этапов самих дискретных преобразований. Предложена методика анализа эффективности преобразований по объективным оценкам качества изображений в зависимости от коэффициента сжатия. К особенностям относится то, что, в отличие от популярных метрик PSNR и SSIM, для оценки качества предложено использовать коэффициент четкости изображения, вычисление которого связано с контрастной чувствительностью зрения. В результате исследований получены количественные оценки эффективности сжатия при заданных параметрах качества в зависимости от типа преобразования и детальности RAW-изображений. Предложены рекомендации по использованию результатов исследований в системах кодирования и передачи изображений с высокой четкостью.
Бесплатно
Сравнение изображений на основе их диффеоморфного преобразования
Статья научная
Рассмотрена задача сравнения двух диффеоморфных изображений - начального изображения диффеоморфизма и конечного изображения диффеоморфизма, которые задаются множеством точек. Задача решается на основе метода построения минимизируемого функционала, характеризующего эволюцию диффеоморфного преобразования изображения от начального до конечного, и штрафа за отклонение траектории изображения от требуемой траектории. Разработан итерационный алгоритм решения уравнения диффеоморфного преобразования на основе итеративного метода решения уравнений. Рассмотрена задача сравнения двух изображений с использованием построения функционала при оптимальном метаморфозисе изображений.
Бесплатно
