Измеритель площади оптического изображения Советский патент 1992 года по МПК G01B21/28 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, а именно к обработке оптических изображений, и может быть использовано для определения площади оптических изображений в составе аппаратуры оптической связи, локации, анализа изображений, распознавания образов, дистанционного автоматического контроля и управления.

Известно устройство, предназначенное для измерения площади, в котором измерение площади осуществляется путем подсчета количества световодов, перекрытых исследуемым объектом.

К недостаткам этого устройства следует отнести необходимость непосредственного контакта исследуемого объекта с измерительным устройством, необходимость использования для достижения высокой точности измерения большого количества световодов, входы которых соединены в матрицу, а также низкую точность измерения площади при воздействии мешающего светового фона; возникающего, например, при измерении площади частично прозрачных объектов или за счет неплотного контакта объекта с матрицей световодов,

Известно также устройство для измерения площади плоских фигур, в котором из Ю

О

ю

ерение площади производится на основе равнения токов, поступающих от матрицы отоприемников, которые соответствуют талонной и измеряемой площадям,

К недостаткам данного устройства слеует отнести необходимость непосредст- венного контакта измеряемого объекта с измерителем и низкую точность измерения площади при воздействии мешающего фо на. Кроме того, в устройстве необходима очная калибровка измерительных каналов по усилению.

Структура и принципы построения названных и подобных им измерителей не учитывают случайного характера самого изображения и мешающего оптического фона (засветки). Как известно, оптическое изображение можно представить в виде поля случайных точек. Точки этого поля соответствуют отдельным фотонам слабого светового потока, светочувствительным центрам фотопластины или экрана, в которых поглощены кванты света. Для фотоэлектронных приемников такими точками являются точки эмиссии фотоэлектронов. Расположение и число этих точек случайны, что и определяет статистическую природу изображения. Наиболее существенно проявляется случайный характер изображения и фоновой засветки при регистрации и анализе относительно слабых световых потоков или при относительно низкой чувствительности фотоприемников, когда регистрируется лишь малая часть фотонов, падающих на фотоприемник. Случайный характер изображения и мешающего фона, обусловленный квантовой природой света. приводит к дополнительным ошибкам при измерении площади с помощью перечисленных устройств, что является еще одним существенным их недостатком.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и учитывающим случайную природу изображения и фона является устройство, предназначенное для измерения площади оптического изображения, которое содержит оптически свя- занные блок изменения масштаба измеряемого изображения, маску с отверстием, имеющим форму измеряемого изображения, и фотоприемник, а также содержит указатель экстремума, генератор линейно изменяющегося напряжения, выход которого подключен к управляющему входу блока изменения масштаба, последовательно соединенные делитель, первый вход которого электрически связан с выходом фотоприемника, а второй вход подключен к выходу генератора, логарифмический усилитель, умножитель, второй вход которого подключен к выходу фотоприемника, и сумматор, второй вход которого объединен с вторым входом делителя, а выход подключен к входу указателя экстремума, инвертор,

включенный между выходом фотоприемника и третьим входом сумматора, управляемый ключ, управляющий вход которого электрически связан с выходом указателя экстремума, а информационный входэлект0 рически связан с выходом генератора, последовательно соединенные второй сумматор, первый вход которого подключен к выходу фотоприемника, второй делитель, второй вход которого подключен к выходу

5 генератора, и второй управляемый ключ, управляющий вход которого электрически связан с выходом уакзателя экстремума, и второй инвертор, включенный между выходом генератора и вторым входом второго

0 сумматора.

Недостатком известного устройства является Низкая точность измерения площади и интенсивности изображения в условиях, когда интенсивность мещающего Светового

5 фона неизвестна. Это подтверждается результатами теоретического айализа и данными, полученными в результате его испытаний методами математического моделирования на ЭВМ. Таким образом, во

0 многих случаях, когда интенсивность фона неизвестна, устройство не обеспечивает достаточную точность измерения площади и интенсивности.

Целью изобретения является повыше5 ние точности измерения площади и интенсивности полезного изображения при неизвестной интенсивности мешающего фона, а также расширение функциональных возможностей устройства путем одновре0 менного измерения площади, интенсивности полезного изображения и интенсивности фона..

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель, содержащий оптически свя5 занные блок изменения масштаба измеряемого изображения, маску с отверстием, имеющим форму измеряемого изображения, и фотоприемник, а также содержащее указатель экстремума, генератор линейно

0 изменяющегося напряжения, выход которого подключен к управляющим входам блока изменения масштаба и фотоприемника, последовательно соединенные делитель, первый вход которого электрически

5 связан с выходом фотоприемника, в второй вход электрически связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, логарифмический усилитель, умножитель, второй вход которого подключен к выходу фотоприемника, и сумматор, выход которого подключен к входу указателя экстремума, инвертор, вход которого подключен к выходу фотоприемника, управляемый ключ, управляющий вход которого через формирователь управляющего импульса электрически связан с выходом указателя экстремума, а информационный вход через первый усилитель электрически связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, последовательно соединенные второй сумматор и второй делитель, второй управляемый ключ, управляющий вход которого через формирователь управляющего импульса электрически связан с выходом указателя экстремума, а информационный вход связан с выходом усилителя, третий усилитель и второй инвертор, вход которого электрически связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, дополнительно введены оптически связанные блок деления оптического пучка, второй выход которого оптически связан х: входом блока изменения масштаба измеряемого изображения, устройство формирования изображения, маска с отверстием, имеющим заданную форму области наблюдения изображения, и второй фотоприемник, а также электрически связанные генератор постоянного напряжения и третий сумматор, второй вход которого подключён к выходу второго инвертора, а выход подключен к второму входу второго делителя, электрически связанные третий инвертор, вход которого подключен к выходу второго делителя, и четвертый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого делителя, а выход подключен к входу второго усилителя, электрически связанные второй логарифмический усилитель, вход которого подключен к выходу второго делителя, и второй умножитель, второй вход которого связан с выходом второго сумматора, а выход подключен к второму входу первого сумматора, и третий управляемый ключ, управляющий вход которого через формирователь управляющего импульса связан с выходом указателя экстремума, а информационный вход через третий усилитель связан с выходом второго делителя, причем выход первого инвертора связан с входом второго сумматора, второй вход которого связан с выходом второго фотопри- емнйка, управляющий вход которого, в свою очередь, связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения.

: Генератор линейно изменяющегося напряжения, усилитель, управляемый ключ в совокупности с частью схемы, формирующей сигнал на управляющем входе ключа, обладают свойством измерения площади

изображения неизвестной интенсивности при наличии фона, интенсивность которого также неизвестна. Третий управляемый ключ, третий усилитель, второй делитель, 5 первый и второй инверторы, второй и третий сумматоры, генераторы постоянного и линейно изменяющегося напряжения в совокупности с оптической частью схемы v блоками формирования управляющего сиг1

0 нала третьего управляемого ключа обладают свойством измерения интенсивности мешающего фона, наблюдаемого совместно с полезным изображением неизвестной интенсивности и площади.

5 На фиг. 1 изображена структурная схема измерителя; на фиг. 2 - временные диаграммы, показывающие вид преобразований, которым подвергаются выходные сигналы фотоприемникрв при прохождении

0 различных элементов измерителя, а также вспомогательные сигналы, генерируемые блоками схемы; на фиг, 3 - зависимости выигрыша в точности оценки площади оптического изображения, формируемой

5 предлагаемым измерителем, по сравнению с прототипом от величины отношения.ин- тенсивностей полезного изображения и мешающего фона; на фиг. 4 - зависимости выигрыша в точности оценки интенсивно0 сти полезного изображения формируемой предлагаемым измерителем по сравнению с прототипом от величины отношения ин- тенсивностей-полезного изображения и мешающего фона; на фиг. 5 - временные

5 диаграммы сигналов в различных точках устройства-прототипа, когда интенсивность мешающего фона не совпадает с прогнозируемой, значение которой определяет характеристики блоков устройства0 прототипа.

Измеритель (фиг. 1) содержит блок 1 деления оптического пучка, блок 2 изменения масштаба измеряемого изображения, маску 3 с отверстием, имеющим форму измеряе5 мого изображения, фотоприемники 4 и 24, генератор 5 линейно изменяющегося напряжения, делители 6 и 25, .логарифмические усилители 7 и 26; умножители 8 и 27, усилители 9,. 16 и 22, управляемые ключи

0 10, 17 и 23, устройство 11 формирования изображения, сумматоры 12, 15, 20 и 28. инверторы 13,14 и 19, маску 18 с отверстием, имеющим заданную форму области наблюдения изображения, генератор 21

5 постоянного напряжения, указатель 29 экстремума и формирователь 30 управляющего импульса. Все блоки реализуются на основе стандартных оптических и радиотехнических устройств, элементов и приборов, изготовляемых с использованием

как традиционной элементной базы, так и элементной базы радиоэлектроники,

В исходном (статическом) состоянии генераторы линейно изменяющегося 5 и постоянного напряжений 21 не вырабатывают сигналов и напряжение на их выходах равно нулю. При этом блок 2 изменения масштаба измеряемого изображения находится в состоянии, обеспечивающем максимальный масштаб изображения, фотоприемники 4 и 24 выключены и сигналы с их выходов не поступают в схему. В результате на входах и выходах всех блоков электрической части схемы сигналы равны нулю. Следовательно, ключи 10,17 и 23 закрыты и на всех выходах устройства сигналы отсутствуют.

Измеритель работает следующим образом.

Началу его работы соответствует момент (t 0) запуска генераторов линейно изменяющегося 5 и постоянного напряжений 21 (например, при включении измерителя). Генератор 5 линейно изменяющегося напряжения формирует сигнал (фиг, 2а)

Ui(t)Ue + Kit ST,

где Т - время анализа изображения. .

Сигнал Ui(t) поступает на управляющие входы фотоприемников 4 и 24 и включает их на время Т. Блок 1 деления оптического пучка разделяет приходящее от анализи руемого изображения И (фиг. 1) оптическое излучение на два оптических пучка. Первый пучок поступает на вход блока 2 изменения масштаба измеряемого изображения, который формирует вторичное изображение в плоскости маски 3. На управляющий вход блока 2 поступает сигнал Ui(t). В соответствии с этим сигналом блок 2 уменьшает масштаб изображения И (фиг. 1)efUi(t)/K2 раз по обеим осям. Следовательно, площадь вторичного изображения в плоскости маски 3 изменяется обратно пропорционально сигналу U i(t). В результате площадь вторичного полезного изображения определяется формулой

82и® K2Sn/U ,(t) -:- K2SM/(Uo + Kit), Где 5и - истинное значение площади полезного изображения.

При этом необходимо обеспечить соответствие размеров вторичного изображения и отверстия маски 3 при всех возможных значениях площади полезного изображения. Поэтому

KiBUo.a,ax SCTln Sm3, IOmln

Smin Kz/Uo,

где Smin и Smax - соответственно минимально и максимально возможные площади полезного изображения;

Sm3 - площадь отверстия маски 3.

При этом время анализа Т выбирается минимально возможным, насколько позволяет быстродействие блоков устройства для обеспечения их нормальной работы. Значения начального напряжения генератора линейно изменяющегося напряжения Uo и чувствительности «2 блока 2 изменения масштаба измеряемого изображения определяются выбором типа этого устройства и взаимным расположением анализируемого изображения И (фиг. 2) и блока 2. Сформированное блоком 2 вторичное изображение создает световой поток через отверстие в маске 3, который поступает на оптический вход фотоприемника 4. Световой поток на входе фотоприемника 4. а следовательно, и величина электрического сигнала на его выходе определяются отношением площади отверстия в маске 3 к площади вторичного изображения, если

последнее больше площади отверстия в маске. Если площадь вторичного изображения меньше отверстия в маске 3, то интенсивность светового потока на входе фотоприемника 4 не зависит от размеров

вторичного изображения. Следовательно, с учетом фона сигнал на выходе фотоприемника 4 имеет вид (фиг. 26)

35

U2(t) Ka{Ui(t) + qmin{Ui(t), Ui(tn)).

где q - отношение интенсивности полезного изображения к интенсивности фона. Здесь под интенсивностью понимается среднее число точек изображения на едини0 цу площади. Как видно из фиг. 26, сигнал на выходе фотоприемника 4 имеет излом в момент времени tn. Этот момент соответствует такому значению масштаба вторичного изображения в плоскости маски 3, когда

5 истинное значение площади вторичного полезного изображения совпадает с площадью Sm3 отверстия маски 3. Действительно, приращение сигнала Uz(t) на выходе фотоприемника 4 в интервале вре0 мени от нуля до 1и (площадь вторичного полезного изображения больше площади отверстия в маске) обусловлено приращением количества точек как полезного изображения, так и мешающего фона,

5 попавших в отверстие маски 3. Приращение сигнала U2{t) на интервале времени от tn до Т с уменьшением масштаба изображения обусловлено только приращением количества точек мешающего фона, попав- ших в отверстие маски 3. Поэтому зависимость U2(t) на интервале времени отт,ц до Т является более пологой, чем на интервале от нуля до 1и. Момент времени ti/i однозначно связан с истинным значением площади полезного изображения (если пренебречь, как это сделано для наглядности кривых на фигурах, флуктуациями сигна - ла U2(t), вызванными статистической природой изображения и фона). Действительно, приравнивая площади вторичного полезного изображения и отверстия в маске 3, имеем

Зи - Smln Srnax Smln

Следует отметить, что крутизна рассматриваемой кривой как на интервале от нуля до ти, так и на интервале от т.и до Т заранее не известна, поскольку она определяется неизвестными величинами интенсявностей полезного изображения и мешающего фона, Заранее не известен также и момент времени tn, поскольку он определяется величиной истинного значения площади пси лезного изображения. Целью дальнейших преобразований сигнала Uaft) в электрической части схемы предлагаемого измерителя является извлечение закодированной в нем информации о значениях интенсивности и площади полезного изо бражения, а также об интенсивности мешающего фона.

Сигнал (фиг. 26) с выхода фотоприемни ка 4 поступает на вход делителя 6. На второй вход делителя 6 поступает сигнал с выхода генератора 5 линейно изменяющегося напряжения. В результате на выходе делителя 6 имеем сигнал (фиг. 2в).

U3(t)-U2(t)/Ui(t)......

Далее сигнал 11з(т.) с выхода делителя 6 поступает на вход логарифмического усилителя 7, формирующего сигнал (фиг. 2г)

U4t)lnU3(t).

При этом логарифмический усилитель 7 выполняет роль компрессора (снижает динамический диапазон), когда превышение интенсивности полезного изображения над интенсивностью фона велико (q 1, сильная контрастность), или роль экспандера (расширителя динамического диапазона сигнала), когда интенсивность полезного изображения значительно меньше интенсивности фона (слабая контрастность) и соответственно q « 1.

Сигнал Ш(0 (фиг. 2т) с выхода логарифмического усилителя 7 поступает на вход умножителя 8, на другой вход которого поступает сигнал с выхода фотоприемника 4

(фиг. 26). Выходное напряжение умножителя 8

Us(t) U2(t) U(t)

с точностью до амплитудного множителя 5 изображено на фиг. 2д.

Сигнал lh(t) с выхода генератора 5 линейно изменяющегося напряжения поступает также на вход усилителя 9. На выходе этого усилителя формируется сигнал 0 (фиг. 2е)

Ue(t)K4Ui(t),

где К4 - коэффициент усиления сигнала. Сигнал Ue(t) поступает на информационный вход управляемого ключа 10. Кроме того, 5 сигнал Ui(t) с выхода генератора 5 линейно изменяющегося напряжения поступает на вход инвертора 13. Выходное напряжение инвертора 13

U7(t) -Ui(t)

0 с точностью до амплитудного множителя изображено на фиг. 2ж. Это напряжение поступает на вход сумматора 20. На другой вход сумматора 20 поступает формируемый генератором 21 постоянного напряжения 5 сигнал (фиг. 2з)

U8(t) UoSH/Smln. О t Т, где SH - площадь области наблюдения изображения, SH 5: Smax.

Тогда на выходе сумматора 20 формируется 0 сигнал (фиг. 2и)

U9(t) - U(t) + U8(t).

Второй оптический пучок с выхода блока 1 деления оптического пучка подается на вход устройства 11 формирования изо- 5 бражения. Это устройство формирует вто- . ричное изображение в плоскости маски 18. При этом ыасштаб изображения уменьшается в /1/Ks раз по обеим осям. В результате площадь вторичного изображения 0 всей области наблюдения определяется формулой

S2H KsSH.

- Для того, чтобы через отверстие в маске 18 проходили только лучи, соответствующие 5 области наблюдения изображения, необходимо, чтобы отверстие в маске 18 имело форму области.наблюдения, а площадь отверстия Smi8 совпадала с площадью вторичного изображения

0Sm18 S2H K5SH.

Сформированное блоком 11 оптическое изображение создает световой поток через отверстие в маске 18, который поступает на оптический вход фотоприемника 24. Све- 5 товой поток через отверстие в маске 18 является суммой двух световых потоков. . Первый световой поток обусловлен полезным изображением, занимающим часть области наблюдения площадью Зи. Второй

световой поток обусловлен мешающей засветкой, занимающей всю область наблюдения площадью SH. Таким образом, сигнал на выходе фотоприемника 24 пропорционален величине SH + qSi/t. Тогда сигнал на выходе фотоприемника 24 можно записать в виде (фиг. 2 к)

Ulo(t) - КЗ {SHUl(T)/Smax + qUlM,

.

Сигнал с выхода фотоприемника 24 поступает на вход сумматора 12. На другой вход сумматора 12 поступает инвертированное в инверторе 19 напряжение (фиг. 2л) с выхода фотоприемника 4

Ull(t)-U2(t).

Таким образом, на выходе сумматора 12 формируется сигнал (фиг. 2м)

Ui2(t)Uio(t) + Uii(t),

который поступает на вход делителя 25. На другой вход делителя 25 поступает сигнал Ug(t) с выхода сумматора 20. Выходное напряжение делителя 25

Ul3(t)Ul2(t)(t)

с точностью до амплитудного множителя изображено на фиг. 2н. Далее этот сигнал поступает на вход логарифмического усилителя 26, который формирует напряжение (фиг. 2о)

Ui4(t) lnUi3(t),

При этом логарифмический усилитель 26 так же. как и блок 7, выполняет роль компрессора (сжимает динамический диапазон), когда q 1, или роль экспандера (расширителя динамического диапазона сигнала), когда q « 1.

Сигнал У 14(1) с выхода логарифмического усилителя 26 поступает на вход умножителя 27, другой вход которого поступает сигнал с выхода сумматора 12. Таким образом, на выходе умножителя 27 формируется сигнал (фиг. 2п)

Ul5(t)Uf4(t)Ul2(t),

который поступает на вход сумматора 28, На другой вход сумматора 28 поступает сигнал Us(t) (фиг. 2д) с выхода умножителя 8. Выходное напряжение сумматора 28

Ui6(t)Uis(t) + Us®

с точностью до амплитудного множителя Изображено на фиг. 2р.

Как видно из фиг. 2р. выходной сигнал сумматора 28 имеет максимум в момент времени ги, соответствующий истинному зна чению измеряемой площади. Этот сигнал с выхода сумматора 28 поступает на вход указателя 29 экстремума, который фиксирует положение наибольшего максимума входного сигнала. Следует отметить, что за счет статистической природы изображения флуктуации сигналов на выходах фотоприемников 4 и 24 приводят к флуктуациям

положения абсолютного максимума сигнала на входе указателя экстремума. Это служит причиной возникновения ошибок измерения площади и интенсивности полезного

изображения, а также ошибок измерения интенсивности фона. Причем флуктуации положения абсолютного максимума тем меньше, чем выше крутизна подъема и спада сигнала на фиг. 2р до и после момен0 та времени ti/i. Кроме того, для уменьшения систематической ошибки желательно, чтобы скорость возрастания сигнала до момента ti/i примерно соответствовала скорости спада сигнала после момента времени tn. Часть

5 схемы, включающая логарифмический усилитель 26, умножитель 27 и сумматор 28, служит для обеспечения наибольшей и примерно равной скорости подьема и спада сигнала на входе указателя 29 экстремума

0 при различных значениях неизвестной интенсивности фона.

В момент (t tn). когда входной сигнал блока 29 достигает своего максимального значения, на его выходе формируется сиг5 нал, изображенный на фиг. 2с. Этот сигнал своим передним фронтом запускает формирователь 30 управляющего импульса. В результате формирователь 30 управляющего импульса в момент tn вырабатывает

0 короткий по сравнению с временем анализа Т импульс (фиг. 2т). Этот импульс служит управляющим сигналом для ключей 10, 17 и 23. Длительность управляющего импульса на выходе блока 30 выбирается мини5 мальной, чтобы за время его длительности сигналы на информационных входах ключей 10, 17 и. 23 не успели заметно измениться, до достаточной для регистрации амплитуд коротких импульсов на выходах

0 этих ключей.

Рассмотрим теперь формирование сигналов на выходах ключей 10, 17 и 23. На информационный вход ключа 10 поступает усиленный усилителем 9 сигнал с выхода.

5 генератора 5 линейно изменяющегося напряжения (фиг. 2е). Как указывалось, блок 2 по сигналу генератора линейно изменяющегося напряжения уменьшает масштаб вторичного изображения в плоскости мас0 кй 3. Площадь вторичного изображения уменьшается обратно пропорционально сигналу блока 5, а отношение площади отверстия в маске 3 к площади вторичного полезного изображения увеличивается

5 пропорционально сигналу блока 5. Это соответствует случаю, когда изображение наблюдается через маску, площадь отверстия в которой увеличивается пропорционально сигналу Ui(t) от величины Smin до Smax. В этой интерпретации tn соответствует моменту времени, когда площадь отверстия в такой маске совпадает со значением 5и. Но площадь отверстия в маске при t ti/i пропорциональна Ui(tn), следовательно, величина lh(ti/i) пропорциональна истинному значению площади полезного изображения 8и. Таким образом, для измерения 8и достаточно найти значение U i(t) в момент т.н. Эту операцию выполняет управляемый ключ 10, который открывается на короткое время сигналом с выхода формирователя управляющего импульса. Амплитуда импульса на выходе ключа 10 (фиг. 2у) пропорциональна измеренному значению площади S полезного изображения. Коэффициент усиления К4 усилителя 9 определяется коэффициентом пропорциональности между Ui(tn) и 5и, а также выбранной единицей измерения площади. Например, если К4 Smin/Uo, то единицы измерения площади совпадают с теми, в которых заданы величины Smin и Smax.

На информационный вход ключа 23 поступает усиленный блоком 22 сигнал (фиг. 2ф) с выхода делителя 25

. Ut7(t)KeUi3(t),

где Кб - коэффициент усиления усилителя 22. .

Амплитуда сигнала Uiv(t) на интервале времени от ни до Т равна Кб Кз. Коэффициент КЗ/определяющий амплитуды сигналов на выходах фотоприемников 4 и 24, пропорционален интенсивности мешающего фона AN : Кз К AN. Величина К зависит от коэффициента деления оптического пучка в блоке 1. потерь энергии оптического сигнала в блоках 1,2 и 11, квантовой эффективности фотоприемников 4 и 24, и других характеристик оптических элементов предлагаемого измерителя. Для измерения интенсивности мешающего фона достаточно найти значение сигнала Uiv(t) на интервале времени от 1и до Т. Реальный сигнал на выходе блока 22 флуктуирует за счет статистической природы изображения и фона. Причем дисперсия флуктуации увеличивается с ростом t. Следовательно, для измерения интенсивности мешающего фона с наименьшей ошибкой необходимо регистрировать амплитуду сигнала с выхода усилителя 22 в момент времени, близкий к щ. Эту функцию выполняет управляемый ключ 23, который открывается на короткое время сигналом с выхода формирователя управляющего импульса. Амплитуда импульса (фиг. 2х) на выходе ключа 23 пропорциональна измеренному значению интенсивности фона AN. Коэффициент усиления Квусилителя 23 определяется величиной К и выбранной единицей измерения интенсивности фона. Например, если Кб 1/Ку, то амплитуда импульса на выходе блока 23 совпадает с величиной AN. выра5 женной в тех же единицах измерения, что и величина AN.

Сигнал с выхода делителя 25 поступает также на вход инвертора 14. Выходной сигнал инвертора 14

10 Uie(t) -Ui3(t)

с точностью до амплитудного множителя приведен на фиг. 2ц. Этот сигнал подается на вход сумматора 15, на другой вход которого поступает сигнал 11з(т.) (фиг, 2 в) с выхода

15 делителя 6. На выходе блока 5 формируется напряжение (фиг. 2ч)

Ul9(t)U3(t)+Ul8(t).

которое поступает на вход усилителя 16. Выходной сигнал усилителя 16. с точностью до

0 амплитудного множителя приведенный на фиг. 2ш

U2o(t)K8Ui9(t),

где Кв - коэффициент усиления блока 16. Амплитуда сигнала в момент времени t tn

5 равна дКзКз. Как отмечалось, величина q равна отношению интенсивности полезного изображения As к интенсивности фона AN, а величина Кз Ку AN. Следовательно, амплитуда сигнала на выходе блока 16 в

0 момент времени t ги равна As KyKa. Для измерения интенсивности полезного изображения достаточно найти значение сигнала LJ2o(t) в момент времени 1и. Эту задачу выполняет управляемый ключ

5 17, который открывается на короткое вре- мя сигналом с выхода формирователя управляющего импульса, Амплитуда импульса (фиг. 2щ) на выходе ключа 17 пропорциональна измеренному значению интенсивности

0 полезного изображения As. Коэффициент усиления Кв усилителя 16 определяется величиной К и выбранной единицей измерения интенсивности полезного изображения. Например, если К а 1/К.. то

5 амплитуда импульса на выходе блока 17 совпадает с величиной As. выраженной в тех же единицах измерения, что и величина AS.

По истечении времени Т сигналы на вы0

5

ходах генераторов линейно изменяющегося напряжения 5 и постоянного напряжения 21 спадают до нуля. Это происходит, напри-, мер, при отключении измерителя по окончании измерения. При этом фотоприемники 4 и 24 выключаются, а сигналы на выходах становятся равными нулю. Блок 2 в отсутствие управляющего сигнала переходит в исходное положение. Таким образом, анализ изображения заканчивается. После этого

устройство снова может быть использовано для измерения площади и интенсивности полезного изображения, а также интенсивности фона. Для этого достаточно вновь запустить генераторы постоянного и линейно изменяющегося напряжений (например, с помощью повторного включения устройства).

Точность измерения площади и интенсивности полезного изображения, а также интенсивности фона зависит от среднего числа fi точек фона в области, имеющей форму полезного изображения и площадь Smax, и от величины q отношения интенсив- костей полезного изображения и фона.

Работоспособность измерителя и точность измерения им площади и интенсивности полезного изображения, а также интенсивности фона оценивались в процессе испытаний измерителя посредством мо- делирования его работы на ЭВМ. Моделирование проводилось с учетом статистической природы изображения и фона. При этом набор случайных точек, представляющих собой полезное изображение и фон, вырабатывался путем генерирования на ЭВМ последовательностей случайных чисел с пауссоновским законом распределения и переменной интенсивностью. Соответствие модели в ЭВМ и измерителя проверялось контролем формы сигналов на выходах блоков схемы и тестовыми проце дурами. Моделирование показало работоспособность предлагаемого измерителя и высокую точность измерения им площади и интенсивности полезного изображения, а также интенсивности мешающего фона.

Анализ характеристик предлагаемого измерителя и устройства-прототипа с применением методов теории потенциальной помехоустойчивости, а также испытания измерителя посредством моделирования его работы на ЭВМ показали, что средние значения квадратов ошибок измерения интенсивности фона, интенсивности изображения и его площади в предлагаемом измерителе можно найти из выражений

JU

Зи)

ju

v Дм-у//( .

S SH Згп ох бн и);

{(-(

+ (2г|-гДгг+пшг4 У9{адЈ(1)2г/г/ к х(п,-г,))}1, .

0 5

0 - 5 0 5

0 5

0

5

где С Irf 1(1 + q) - qQ + q) V2(1 + q);

t q2(1 + q)-1 ln 41 + q);

As и Дм - интенсивности полезного изображения и фона;

q AsAfoll / SmaxAN.

Для устройства-прототипа средние значения квадратов ошибок измерения интенсивности и площади полезного изображения при неизвестной интенсивности фона определяются выражениями

v.a.W.fuaS.ffiiC.,

smax

п--9г{(1)2АЧ2В -(В-А)г12В-А) + + 283-Аг{А+В)}(в-Д)}О) ; -(B-A)vent(1),

, где

A fntd j/ri-d-))2)/,

(f+a)jEnzf(i)/rlj .f.

у отношение прогнозируемого значения интенсивности фона, которое используется в прототипе, к истинному значению интенсивности фона.

Приведенные выражения для характеристик прототипа справедливы при выполнении условий В А 0. В противном случае устройство-прототип оказывается неработоспособным.

Выигрыш в точности измерения площади предлагаемым измерителем по сравнению с устройством-прототипом характеризуется величиной отношения

4 VSn/Vs..

На фиг. 3 приведены зависимости выигрыша ж5 (дБ) в точности оценки площади оптического изображения, формируемой предлагаемым измерителем, по сравнению с устройством-прототипом от величины отношения интенсивностей полезного изображения и фона q. Кривая а построена при у 2;2-у. 1.2;3-у 1.1; 4 - у -0.9; 5-у 0,8; 6- у 0,5. Анализ зависимостей (фиг. 3) показывает, что даже при сравнительно небольших отличиях истинного значения интенсивности фона от прогнозируемого значения, используемого в прототипе, прототип обладает меньшей точностью из-, мерения площади по сравнению с предлагаемым измерителем. Выигрыш в точности измерения площади оказывается наиболее существенным в случае малых значений параметра q. которые часто наблюдаются на практике.

В таблице приведены значения выигрыша при различных величинах q и у.

Пропуски в таблице соответствуют таким наборам параметров q и ,у, при которых

прототип оказывается неработоспособным, Как видно из приведенной таблицы, прототип приближается по точности измерения площади изображения к предлагаемому измерителю только при q 1 и значениях у, 5 близких к единице. В остальных случаях прототип обеспечивает существенно меньшую точность измерения площади, чем предлагаемый измеритель.

Выигрыш в точности измерения интен- 10 сивности полезного изображения предлагаемым измерителем по сравнению с устройством-прототипом характеризуется величиной отношения

15

; vas

На фиг. 4 приведены зависимости выигрыша (дБ) в точности оценки интенсивно- сти полезного изображения, формируемой 20 предлагаемым измерителем, по сравнению с устройством-прототипом от величины отношения интенсивностей полезного изображения и фона. При построениижрй- вых фиг. 4 полагалось, что 5н Smax, 5й 25 Smax/2, у 0,9. Зависимость а рассчитана для ft 300. 2- - fi 1000, 3 - Ц 3000; Анализ зависимостей (фиг. 4) показывает, что прототип даже при сравнительно небольшом отличии истинного значения интенсивности 30 фона от прогнозируемого значения обладает меньшей точностью измерения интенсивно1 сти полезного изображения чем предлагаемый измеритель. Выигрыш в точности измерения интенсивности оказывается наи- 35 более существенным в случае малых значений параметра q, которые представляют наибольший практический интерес.

Таким образом, применение предлагаемого измерителя обеспечивает существен- ,40 ный положительный эффект.

Для пояснения причин появления выигрыша в точности измерения площади и иненсивности полезного изображения в предлагаемом измерителе по сравнению с 45 устройством-прототипом рассмотрим процесс формирования выходных сигналов усройством-прототипом в условиях когда значение интенсивности мешающего фона аранее не известно и отличается от про- 50 гнозируемого значения интенсивности фона. В этом случае выходной сигнал нератора линейно изменяющегося напряения в прототипе с точностью до амплиудного множителя совпадает с сигналом, 55 изображенным на фиг. 2а, а выходной сиг- . нал фотоприемника в прототипе совпадает сигналом, изображенным на фиг. 26.

В случае небольших отличий прогнозиуемого -значения интенсивности фона от

неизвестного истинного значения сигнал xn(t) на входе указателя экстремума прототипа с точностью до амплитудного множителя изображен на фиг. 5а. Этот сигнал имеет в окрестности максимума более пологие наклоны, чем сигнал на входе указателя экстремума в предлагаемом измерителе (фиг. 2 р). Причем наклон линий в окрестности точки максимума уменьшается с ростом отличия прогнозируемого значения интенсивности фона от истинного значения, которое заранее не известно. Уменьшение крутизны сигнала в окрестности максимума ведет к увеличению случайных смещений максимума от точки, соответствующей площади полезного изображения. Эти смещения обусловлены флуктуациями сигнала, вызванными статистической природой как самого изображения, так и фототока фотоприемника. В результате возрастают случайные ошибки измерения площади полезного, изображения в устройстве-прототипе. В предлагаемом измерителе крутизна сигнала на входе указателя экстремума в окрестности максимума, при прочих равных условиях, всегда больше, чем в устройстве-прототипе. За счет этого уменьшается влияние флуктуации сигнала на входе указателя экстремума на точность фиксации момента времени, соответствующего истинному значению площади полезного изображения.

Ошибки в определении момента времени, соответствующего истинному значению площади полезного изображения, в устройстве-прототипе приводят к тому, что управляемые ключи открываются либо раньше, либо позже необходимого момента времени. Вследствие этого выходные сигналы управляемых ключей устройства-прототипа отличаются от истинных значений площади и интенсивности полезного изображения. Это служит причиной возникновения ошибок измерения в устройстве-прототипе.

Если прогнозируемое значение интенсивности фона существенно отличается от истинного значения что приводит к нарушению работоспособности устройства-прототипа (т.е. к- очень большим ошибкам измерения). В этом случае сигнал xn(t) на входе указателя экстремума прототипа с точностью до амплитудного множителя приведен на фиг. 56. Как видно из зависимости фиг. 56, сигнал не обладает экстремумом в точке т.н. соответствующей истинному значению площади 5и. Вследствие этого указатель экстремума прототипа вырабатывает импульс (фиг. 5в), начинающийся в момент времени t 0 и соответствующий измеренному значению площади 5 Smin Зи. Таким образом, при неизвестной интенсивности мешающего фона ошибка измерения площади изображения в устройстве-прототипе существенно возрастает. Ошибки измерения площади изображения, как и в случае малых отличий прогнозируемого и истинного значений интенсивности фона, приводят к ошибкам измерения интенсивности полезного изображения, поскольку сигнал фиг. 5в задает момент срабатывания управляемых ключей устройства-прототипа.

Формула изобретения Измеритель площади оптического изображения, содержащий оптически связанные блок изменения масштаба измеряемого изображения, маску с отверстием, имеющим заданную форму, и фотоприемник, указатель экстремума, генератор линейно изменяющегося напряжения, выход которого подключен к управляющим входам блока изменения масштаба и фотоприемника, последовательно соединённые делитель, первый вход которого связан с выходом фотоприемника, а второй вход связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, логарифмический усилитель, умножитель, второй вход которого подключен к выходу фотоприемника, и сумматор, выход которого подключен к входу указателя экстремума, инвертор, вход которого подключен к выходу фотоприемника, управляемый ключ, управляющий вход которого через формирователь управляющего импульса связан с выходом указателя экстремума, а информационный вход связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, последовательно соединенные второй сумматор и второй делитель, второй управляемый ключ, управляющий вход которого через формирователь управляющего импульса связан с выходом указателя экстремума, второй инвертор, вход

которого связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения площади и интенсивности полезного изображения при неизвестной интенсивности фона и расширения функциональных возможностей путем измерения также и интенсивности фона, он снабжен оптически связанными блоком деления оптического пучка, второй выход которого оптически связан с входом блока. изменения масштаба измеряемого изображения, устройством формирования изображения, второй маской с отверстием, имеющим заданную форму, и вторым фотоприемником, последовательно соединенными генератором постоянного напряжения и третьим сумматором, второй вход которого подключен к выходу второго инвертора, а выход - к второму входу второго делителя, четвертые, сумматором, второй вход которого подключен к выходу первого делителя, а выход подключен к второму входу второго управляемого ключа, вто рым логарифмическим усилителем, вход которого подключен к выходу второго делителя, вторым умножителем, первый вход которого связан с выходом второго логарифмического усилителя, второй вход связан с выходом второго сумматора, а выход подключен к второму входу первого сумматора, третьим управляемым ключом, управляющий вход которого через формирователь управляющего импульса связан с выходом указателя экстремума, а информационный вход связан с выходом второго делителя, выход первого инвертора связан с входом второго сумматора, второй вход которого связан с выходом второго фотоприемника, управляющий вход которого связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, выход второго делителя через третий инвертор связан с входом четвертого сумматора.

iO

О

10

-i

Изобретение относится к измерительной технике, в частности «обработке оптических изображений. Цель изобретения - повышение точности измерения площади и интенсивности полезного изображения при неизвестной интенсивности фона, а также расширение функциональных возможностей за счет одновременного измерения интенсивности мешающего фона.-Устройст- во, содержащее блок изменения масштаба измеряемого изображения, маску с отверстием, имеющим форму измеряемого изображения, фотоприемник,. указатель экстремума, генератор линейно изменяющегося напряжения, два делителя, логариф- мический усилитель, умножитель, два сумматора, два инвертора, два управляещ- мых ключа, формирователь управляющего импульса и три усилителя, снабжено блоком деления оптического пучкалустройст- вом формирования изображения, маской с отверстием, имеющим форму области наблюдения изображения, вторым фотопри- емииком, генератором постоянного напряжения, третьим и четвертым сумматорами, третьим инвертором, вторым логарифмическим усилителем и умножителем и третьим управляемым ключом. 5 ил., 1 табл.

-Ф

гиг. 3

О

.

Ф«гЛ

ХП1И

о

Фиг. 5

I