Способ автоматического определения разрешающей способности цифровых оптико-электронных систем и тест-объект для его осуществления, включающий штриховые миры с дугообразной структурой элементов Российский патент 2023 года по МПК G01M11/02 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники, и может быть использовано для определения параметров качества цифровых оптико-электронных систем (ЦОЭС) путем измерения разрешающей способности (РС) на основе метода автоматизированного анализа цифровых изображений, получаемых при съемке тест-объекта. Изобретение также может быть использовано при проведении лабораторных исследований и натурных испытаний ЦОЭС различного назначения.

2. Уровень техники

Существующие к настоящему времени способы экспериментальной оценки качества цифровых оптико-электронных систем основаны на определении разрешающей способности. РС является основным параметром, характеризующим способность ЦОЭС к воспроизведению мелких деталей, а также к раздельному воспроизведению деталей изображаемых объектов, и количественно равна наибольшему числу элементов (линий), которое способна переедать ЦОЭС, при этом значение РС по вертикали характеризует наибольшее число горизонтальных линий, а РС по горизонтали – вертикальных.

Известны стандартизированные способы определения РС, основанные на визуальной оценке изображений тест-объектов.

Известен способ определения разрешающей способности фотографического материала по ГОСТ 2819-84, который заключается в получении ряда изображений резольвометрической миры (тест-объекта, содержащего набор групп штрихов – решеток постоянного контраста – с закономерно изменяющейся пространственной частой) и последующей визуальной оценке резвольвограмм (ряда изображений резольвометрической миры) специалистом дешифровщиком, который последовательно, по мере возрастания частоты, рассматривает штрихи и определяет номер той разрешенной группы, после которой штрихи уже не различаются, и по среднему арифметическому значению результатов трех параллельных определений с допускаемым отклонением до 20% находят разрешающую способность фотографического материала.

Известен способ определения предела разрешения телескопических систем по ГОСТ 15114-78, который заключается в формировании изображения штриховой миры абсолютного контраста с расположенными по определенной системе светлых, различающихся по ширине, штрихов на темном фоне, и рассмотрении оператором-дешифровщиком последовательно изображений отдельных элементов миры с различной частотой штрихов, поиске элемента миры, в котором еще раздельно видны штрихи всех четырех направлений и определении предела разрешения как наименьшего углового расстояния между серединами двух соседних штрихов миры.

Известен способ измерения разрешающей способности телевизионных трубок по ГОСТ 18720-90, который заключается в проецировании оптического изображения испытательной таблицы и визуально определяют разрешающую способность по наибольшему числу визуально различимых линий вертикального клина или штриховых групп на экране видеоконтрольного устройства по отметкам, соответствующим потере различимости черно-белых линий.

Известен способ рабочего разрешения электронно-оптических преобразователей по ГОСТ 21815.9-86, который заключается в том, что изображение элемента миры фокусируют на участок фотокатода электронно-оптического преобразователя, и, три наблюдателя, наблюдая его через окулярную оптику, рассматривая элемент миры, находят элемент с наибольшим порядковым номером, изображение штрихов которого во всех четырех направлениях еще видно раздельно по всей длине штриха и определяют рабочее разрешение.

К недостаткам описанных стандартизированных методик относится:

-низкая точность определения значений РС, обусловленная субъективным характером оценки, присущему визуальному методу анализа, а также зависимостью получаемых результатов от квалификации и состояния оператора-дешифровщика;

-невозможность автоматизации процесса анализа, основанного на визуальной оценке, и, в связи с этим, необходимость привлечения большого числа квалифицированных операторов-дешифровщиков и -увеличенный временной интервал проведения процедуры анализа изображений тест-объектов и определения значения РС;

-высокая относительная погрешность (10-12%) определения значения РС;

-необходимость получения большого числа изображений тест-объектов с различной пространственной частотой;

-отсутствие совместимости пространственной частоты рекомендуемых тест-объектов с современными ЦОЭС высокого разрешения;

- необходимость соблюдения взаимной ориентации миры и устройства ЦОЭС, присущая штриховым мирам, и клиновидным мирам, которые являются основными элементами рекомендуемых тест-объектов.

Известен способ визуального определения разрешающей способности, описанный в стандарте ISO 12233 :2017, который основан на получении с помощью оптической системы изображений тестовой таблицы, состоящей из штриховых и клиновидных мир, расположенных под углами 0°, 45°, 90° и 135°, и анализе изображений, который заключается в визуальной оценке оператором пространственной частоты миры, при которой линий раздельно различимы, и по полученным значениям определении разрешающей способности оптической системы. К недостаткам способа относится так же низкая точность определения значений РС, обусловленная субъективным характером оценки, присущему визуальному методу, высокая относительная погрешность, и необходимость соблюдения взаимной ориентации устройства и тест-объекта, включающего штриховые и клиновидные миры.

Известен способ определения линейного разрешения на местности на пиксель оптико-электронной системы, описанный в патенте RU 2 732 784, основан на выполнении аэросъемки местности с размещенными по горизонтали полотнами мир с нанесенными абсолютно белыми штрихами, и определении линейное разрешение по поученным аэрофотоснимкам как среднее арифметическое значение оценок, полученных всеми операторами-дешифровщиками по всем изображениях мир, каждая из которых является минимальной шириной штриха в распознанных группах, в которых все штрихи наблюдаются раздельно и по всей длине. Способ имеет все недостатки, присущие описанным ранее способам, основанным на визуальном методе анализа.

В настоящее время наиболее актуальны автоматизированные способы определения РС, которые основаны на теоретических, научно-практических и экспериментальных знаниях в области ЦОЭС.

Известен способ автоматизированной оценки разрешающей способности авиационных оптико-электронных систем, описанный в патенте RU 2 293 960, основанном на выполнении аэросъёмки местности с размещенной на ней мирой, включающей группы пространственных элементов различных пространственных частот, проведении предварительной обработки, отбора фрагментов штриховой миры и осуществлении автоматизированного анализа изображения, и получении оценки разрешающей способности по заданному отношению сигнал/шум в изображении на основе алгоритма цифрового анализа огибающих поперечных сечений изображения миры. К недостаткам данного способа относится необходимость соблюдения взаимной ориентации миры и устройства ЦОЭС, присущая штриховым мирам, являющимся основным элементом тест-объекта по данному способу, а также необходимость дважды поводить проводить процесс обработки и анализа изображений для двух ортогональных направлений. Кроме того, аппроксимационный подход, применяющийся для получения огибающих поперечных сечений изображения миры, искажает первичные данные и снижает точность результатов.

Известен способ измерения разрешения на местности, описанный в патенте RU 2 144 654, основанном на выполнении аэросъёмки местности с размещенной на ней штриховой мирой, автоматическом обнаружении на изображении миры, расположенной в центральной части и представляющей не более 10% от площади всего кадра, и обнаружении еще различимой группы штрихов с использованием стандартной модели дешифровщика. К недостаткам данного способа относится необходимость ориентации тест-объекта по центральной части кадра, при размещении тест-объекта на площади, составляющей не более 10 процентов от общего размера кадра, что создает значительные ограничения при определении РС по данному способу. Штриховая мира, предлагаемая в качестве тест-объекта, ввиду конструктивных особенностей создает необходимость соблюдения взаимной ориентации устройства с тест-объектом.

Кроме того, описанные способы определения РС имеют широкое применение при проведении летных испытаний, но не всегда применимы для определения РС ЦОЭС различного назначения в лабораторных условиях.

Известен способ измерения разрешающей способности фотоаппарата описан в патенте RU 2 461 853 и основан на получении фотоаппаратом изображений кольцевых мир, представляющих собой систему концентрических темных колец на светлом фоне с неизменной шириной темных колец, и определении разрешающей способности в каждой точке изображения по разрешающей способности той миры, минимальная ширина темного кольца которой еще различается в данной точке изображения, используя критерий различимости, среднеквадратичное отклонение яркостей точек, лежащих на отрезке, ориентированном вдоль радиус-вектора, соединяющего эту точку с центром миры, в 3 раза превышает среднеквадратичное отклонение яркостей точек, лежащих на отрезке такой же длины. К недостаткам данного способа относится необходимость в получении изображений до 20 мир, обусловленная конструктивной особенностью миры, выражающейся в постоянной пространственной частоте ее элементов.

Известен способ измерения предела разрешения информационно-измерительной оптико-электронной системы описан в патенте RU 2 213 335 основан на формировании изображения штриховой миры, содержащей элемент, состоящие из групп штрихов, частота которых одинакова в элементе и увеличивается с возрастанием номера элемента, а ширина штрихов убывает с возрастанием номера элемента в геометрической прогрессии со знаменателем 0,94, и выборе группы штрихов с одинаковым коэффициентом заполнения, нахождении элемента штриховой миры, в группах которого отсутствуют яркостные провалы, установлении размера штриха в группе штрихов с максимальным коэффициентом заполнения и определении предела разрешения. К недостаткам данного способа относятся недостатки, присущие методам, основанным на применении штриховой миры: необходимость соблюдения взаимной ориентации устройства с тест-объектом, а также необходимость обработки полученных изображений: выделения диапазона элементов миры и выбора группы штрихов для дальнейшего анализа.

За прототип способа определения разрешающей способности цифровых оптико-электронных систем предлагается принять способ, описанный в патенте RU 2 673 501, основанном съемке тест-объектов, последующей обработке и анализе изображений, который заключается в процессе дешифрования путем считывания и декодирования информации, закодированной в символах тест-объектов, изображенных на выбранных фрагментах, и характеризующей пространственную частоту, по значению которой рассчитывается значение разрешающей способности. К недостаткам данного способа относится необходимость обработки изображений: выбора фрагментов дешифрования для осуществления дальнейшего анализа, что, в свою очередь, не позволяет в полной мере автоматизировать процесс определения РС и увеличивает время анализа. Существенные ограничения, накладываемые на свойственные любой оптической системе искажения дисторсии, значительно сужают область применения данного способа: невозможность считывания и/или декодирования информации фрагментов изображения, принимаемая за ограничения предела разрешения, наблюдается при искажении дисторсии.

3. Раскрытие изобретения

Цель изобретения - устранение отмеченных недостатков прототипа и других известных способов определения РС ЦОЭС путем обеспечения набора следующих качеств:

1) повышения точности определения значений РС ЦОЭС по сравнению с известными способами;

2) повышения скорости определения значений РС ЦОЭС по сравнению с известными способами;

3) устранения фактора субъективности при определении РС ЦОЭС за счет исключения человеческого фактора при проведении измерений.

Поставленная цель достигается за счет того, что в отличие от рассмотренных способов и прототипа предлагаемый способ определения РС включает автоматический поиск координат границы раздельного воспроизведения элементов, основанный на положении, что сигнал яркости разрешенной частоты миры превышает уровень цифрового шума и опирается на тест-объект, включающий 4 штриховые миры с дугообразной структурой элементов с убывающей пространственной частотой, расположенные под углами 0°, 90°, 180°, 270° относительно центрального элемента, состоящего из четырех чередующихся черных и белых квадратов (фиг.1).

Технический результат заключается в повышении точности и скорости, а также упрощении процесса определения значений РС ЦОЭС с помощью съемки тест-объекта и последующего анализа полученного цифрового изображения, выполняемого автоматически с помощью ЭВМ.

Указанный технический результат достигается за счет того, что предлагаемый способ автоматического определения РС ЦОЭС представляет собой последовательность этапов следующего содержания.

На первом этапе с помощью устройства ЦОЭС получают три изображения тест-объекта одного ракурса и масштаба при неизменных условиях освещения и режиме работы ЦОЭС. Для этого тест-объект устанавливают параллельно матричному приемнику устройства ЦОЭС. Центральный элемент тест-объекта располагают на оптической оси устройства ЦОЭС. Тест-объект должен находиться в тестируемой области формируемого цифрового изображения. Способ допускает отклонения при установке тест-объекта от оптической оси не более 5% ширины изображения, от плоскости матричного приемника не более 10 градусов, от вертикали не более 10 градусов.

На втором этапе выполняется автоматический анализ цифровых изображений с помощью ЭВМ, состоящий из следующих этапов:

1. Ввод цифрового изображения миры с последующим анализом яркости всех пикселов изображения и выводом матрицы данных (размера ). - число строк матрицы – соответствует числу пикселов по высоте изображения, Y - число столбцов матрицы - соответствует числу пикселов по ширине изображения).

2. Автоматическое определение координат пикселов, соответствующих расположению элементов тест-объекта.

3. Автоматическое определение области измерения цифрового шума на границе квадратов центрального элемента (фиг.2).

4. Получение среднеквадратичного отклонения яркости пикселов области цифрового шума:

где – последовательность значений яркости пикселов, – размер центрального элемента

5. Определение последовательности значений яркости пикселов поперечного сечения миры длины .

6. Автоматический поиск координат границы раздельного воспроизведения элементов, соответствующих разрешенной пространственной частоте миры, используя критерий различимости, заключающийся в том, что значения яркости пикселов поперечного сечения миры превышают среднеквадратичное отклонение яркости пикселов границ центрального элемента, основанный на положении, что сигнал яркости разрешенной частоты миры превышает уровень цифрового шума:

где – наименьшее значение , удовлетворяющее условию:

где – -й элемент -й последовательности .

7. В соответствии с линейными параметрами измерительных элементов миры по полученным координатам определяется соответствующая ей пространственная частота тест-объекта :

где – сумма толщин всех линий штриховой миры

где (минимальный размер толщины линии) рассчитывается следующим образом. Выбирается множество всех значений , удовлетворяющих условию , далее среди данных значений выбирается наименьшее .

8. Пункты 5-7 выполняются для каждого измерительного элемента миры.

9. Определяется число вертикальных и горизонтальных линий

где и – индексы соответствия вертикального расположения миры (90°, 270°) на тест объекте, и горизонтального (0°, 180°) соответственно.

10. Пункты 1-9 выполняются для каждого из трех полученных цифровых изображений одного ракурса и масштаба.

11. Итоговыми значениями РС по вертикали и горизонтали являются средние значения, и , полученные по трем цифровым изображениям одного ракурса и масштаба.

Описанный в пунктах 1-11 алгоритм, от ввода изображений до получения итоговых значений РС по вертикали и РС по горизонтали по 3 цифровым изображениям тест-объекта одного ракурса и масштаба выполняется автоматически с помощью ЭВМ.

Тест-объект, предлагаемый для выполнения вышеописанного способа, включает 4 штриховые миры с дугообразной структурой элементов с убывающей пространственной частотой, расположенных под углами 0°, 90°, 180°, 270° относительно центрального элемента, состоящего из четырех чередующихся черных и белых квадратов.

Центральный элемент тест-объекта позволяет:

-измерить цифровой шум на границе темных и светлых элементов цифрового изображения полученного тест-объекта;

-измерить плотность пикселей и функцию дисторсии оптической системы получить точную информацию о качестве изображения, формируя данные о разрешающей способности в каждой точке изображения;

- служит реперной точкой для автоматизированного алгоритма и позволяет определить точное положение центра тест-объекта и далее перейти к точному положению штриховых мир для их последующего анализа.

Штриховая мира с дугообразной структурой элементов позволяет определять изменение сигнала яркости пикселов цифрового изображения в соответствии с изменяющейся пространственной частотой. Пространственная частота определяется шириной пар линий начиная от 0,1 мм и изменяется по закону возрастающей арифметической прогрессии с разностью 0,05 мм. Дугообразная структура штриховой миры обеспечивает инвариантность угловой ориентации линий относительно стороны приемника оптического излучения составляющей 10°. Расположение миры в разных ортогональных направлениях позволяют определять РС по вертикали и горизонтали.

Такое конструктивное выполнение тест-объекта обеспечивает определение разрешающей способности по вертикали и горизонтали описанным способом с учетом цифрового шума, при разном расстоянии с обеспечением инвариантностью угловой ориентации тест-объекта относительно матричного приемника устройства.

4. Осуществление изобретения

Предлагаемый способ автоматического определения разрешающей способности ЦОЭС и тест-объект для его осуществления могут быть осуществлен как тестовый стенд.

Возможный вариант тестового стенда, предназначенного для осуществления предлагаемого способа, представлен на фиг. 3. При осуществлении предлагаемого способа на поверхности (1) размещают тест-объект (2) таким образом, чтобы оптическая ось (3) ЦОЭС (4) проходила через центр тест-объекта. После чего выполняют съемку тест-объекта одного ракурса и масштаба с использованием тестируемой ЦОЭС, при этом дистанционное управление осуществляется с помощью ЭВМ (5). Далее, с помощью ЭВМ в автоматическом режиме выполняют анализ цифровых изображений тест-объекта, полученных с помощью тестируемой ЦОЭС.

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники, а именно к способам определения разрешающей способности цифровых оптико-электронных систем и устройствам для его осуществления. Способ включает в себя съемку тест-объекта с помощью цифровой оптико-электронной системы и анализ полученных цифровых изображений. Тест-объект включает 4 штриховые миры с дугообразной структурой элементов с убывающей пространственной частотой, расположенных под углами 0°, 90°, 180°, 270° относительно центрального элемента, состоящего из четырех чередующихся черных и белых квадратов. Анализ полученных цифровых изображений заключается в автоматизированном поиске координат границы раздельного воспроизведения элементов, соответствующей пространственной частоте, определяющей значение разрешающей способности цифровой оптико-электронной системы. Технический результат заключается в повышении точности измерения разрешающей способности и сокращении времени процесса измерений за счет обеспечения возможности автоматизации процесса измерений. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения разрешающей способности цифровых оптико-электронных систем, включающий размещение тест-объекта параллельно матричному приемнику в тестируемой области формируемого цифрового изображения на плоской виброзащищённой поверхности, выполнение съемки тест-объекта с помощью цифровой оптико-электронной системы и определение разрешающей способности цифровой оптико-электронной системы по результатам автоматического анализа полученных цифровых изображений, отличающийся тем, что при анализе полученных цифровых изображений осуществляется автоматический поиск координат границы раздельного воспроизведения элементов, соответствующих разрешенной пространственной частоте миры, используя критерий различимости, заключающийся в том, что значения яркости пикселов поперечного сечения миры превышают среднеквадратичное отклонение яркости пикселов границ центрального элемента, основанный на положении, что сигнал яркости разрешенной частоты миры превышает уровень цифрового шума.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что итоговые значения разрешающей способности по вертикали и горизонтали определяются по 3 полученным цифровым изображениям одного ракурса и масштаба.

3. Тест-объект для определения разрешающей способности цифровой оптико-электронной системы, размещаемый параллельно матричному приемнику в тестируемой области формируемого цифрового изображения на плоской виброзащищённой поверхности, отличающийся тем, что включает 4 штриховые миры с дугообразной структурой элементов, обеспечивающей инвариантность угловой ориентации тест-объекта до 10°, с убывающей пространственной частотой, которая определяется шириной пар линий начиная от 0,1 мм и изменяется по закону возрастающей арифметической прогрессии с разностью 0,05 мм, расположенных под углами 0°, 90°, 180°, 270° относительно центрального элемента, состоящего из четырех чередующихся черных и белых квадратов по 5 мм.