Курс лекций по специальному курсу «Физические основы формирования изображений»

Единичный вектор нормали к поверхности описывается выражением

Мы можем непосредственно вычислить угол между нормалью к поверхности и направлением на линзу при условии, что для рассматриваемой точки расстояние до оптической оси мало по сравнению с расстоянием до координатной плоскости. В этом случае единичный вектор в направлении от объекта к линзе имеет вид , a . Это можно получить, вычислив скалярное произведение двух единичных векторов.

Как определить положение источников света? Полагая источники удаленными от объекта на расстояние, большее по сравнению с характерным размером объекта, можно определить направление на каждый источник постоянным вектором. Существует ориентация поверхности, соответствующая этому вектору, т. е. поверхность, ориентированная перпендикулярно лучам, приходящим от источника. Если нормаль к этой поверхности имеет координаты то градиент можно использовать для определения направления на источник (если он расположен по ту же сторону объекта, что и наблюдатель).

Карта отражательной способности.

Она обеспечивает явную связь между ориентацией поверхности и ee яркостью. В ней содержится информации об отражательных свойствах поверхности и распределении источников света. Данное наглядное средство используется для разработки методов восстановления формы поверхности по изображению.

Рассмотрим источник с яркостью Е, освещающий ламбертову поверхность. Яркость сцены составляет L= для , где — угол между нормалью к поверхности и направлением на источник. Вычислив скалярное произведение соответствующих единичных векторов, получим:

„

Это дает нам хорошее представление о том, как яркость зависит от ориентации поверхности. Этот результат называется картой отражательной способности и обозначается через R(р,q). Она зависит от свойств материала поверхности объекта и распределения источников света.

Для ламбертовой поверхности, освещенной единственным удаленным источником, имеем

R(р,q) =

Таким образом, с точностью до постоянного масштабного множителя

карта отражательной способности дает зависимость яркости сцены от ориентации поверхности.

Карта отражательной способности включает в себя зависимость яркости от ориентации поверхности. В данной точке изображения мы измеряем освещенность Е(х, у). Она пропорциональна яркости соответствующей точки изображаемой поверхности, определяемой из уравнения проектирования. Если градиент поверхности в этой точке равен (p,q), то яркость равна R(p,q). Если мы нормализуем эту функцию так, чтобы коэффициент пропорциональности равнялся единице, то получим E(x,y)=R(p,q). Это уравнение освещенности изображения является фундаментальным для методов восстановления формы поверхности. Рассмотрим сферу с ламбертовой поверхностью, освещенную точечным источником, который находится рядом с наблюдателем (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Диффузионное отражение
В этом случае = и = (0,0), поэтому R(р,q) =

В конечном итоге имеем E(x,y)=R(p,q)= .

Яркость гладко спадает от максимума в центре изображения к нулю по краям. Именно это изменение яркости позволяет нам заключить, что это изображение круглого, возможно сферического, объекта. Если сфера имеет поверхность с другими отражательными свойствами, она даст другое изображение.

Спектральное согласование позволяет учесть распределение энергетических характеристик вех компонентов системы по длинам волн. Графики позволяют получить интегральные цифры ожидаемых величин (рис. 10.7, 10.9).

Максимальную чувствительность приемник SFH 3410 имеет на 570 нм (фототок 40 мка, при 100 lx, 5 v). Кроме того приобретают популярность интегральные графики, позволяющие оценить эффективность применения различных приемников (рис. 10.8).

Рис.10.7. Спектры испускания энергии для различных источников излучения чувствительность глаза человека, кремниевого фотоприемника и фотоприемника типа SFH 3410

Рис.10.8. Токи с фотоприемника для различных случаев применения

Рис.10.9. Спектральные характеристики приемников матрица FUGA 1000
Более детально сориентироваться в применении различных приемников можно по комплексу характеристик, обычно прилагаемых к прибору, например, рис.10.11.

Для различных типов светофильтров также существуют графики пропускания (рис.10.10)/

Рис.10.10. Пропускание различных типов фильтров

Рис. 10. 11. Характеристики приемника BPW 34 B

Спектральное согласование в комплексном варианте предполагает добавление к естественным источникам света искусственных, учет комбинаций естественных источников света. При этом решается задача определения эффективности выбранного фотоприемника, осветителей, задача распознавания различных объектов. Рассмотрим ее решение на примере построения прибора ночного видения.

Естественные источники света.

Для пассивных приборов ночного видения (ПНВ) Солнце является наиболее часто используемым первичным источником излучения. Его излучение отражается Луной, облаками и направляется на поверхность Земли. Спектр излучения Солнца близок к спектру абсолютно черного тела (АЧТ) с температурой ~ 6000 К. После отражения от Луны, облаков он изменяется и для ПНВ более подходит модель осветителя, как АЧТ 5600 … 5900 К. Построим распределение энергии по спектру (рис.10.12).

Поглощение в атмосфере Земли, отражение от верхних слоев атмосферы, Луны, планет изменяет вид спектра излучения. В спектре относительно увеличиваются энергия более длинноволновых составляющих, появляется изрезанность. На рис. 10.13 и рис.10.14. показан вид спектра излучения составляющих.

Графики взяты с усреднением, по ним сформированы файлы данных и описание итогового светового сигнала. На рис. 10.15. показаны, приведенные к единому диапазону длин волн, спектры излучения, занесенные в файлы данных.

Рис. 10.12. Спектр излучения черного тела с температурой 5600 К

Рис. 10.13. Кривая спектра излучения небесного свода в ночное время

Рис.10. 14. Кривые спектров излучения 1─"лунного света", 2 ─ "звездного света" в ночное время

Рис.10.15. Приведенные к максимуму кривые спектров излучения 1─"лунного света", 2 ─ "звездного света", 3  небесного свода в ночное время
Искусственные источники света.

Спектр искусственных источников оптического излучения можно, как правило, описать аналитически. На рис. 10.16 и рис. 10.17 приведены примеры аналитических выражений, которые можно использовать для описания лазерных, светодиодных осветителей.

Рис. 10.16. Использование функций Бесселя для описания спектра источников излучения

Рис. 10.17. Использование показательных функций для описания спектра источников излучения
Итоговый спектр излучения падающего на объект наблюдения.

Обработка графиков, массивов данных, использование аналитических зависимостей позволяют построить итоговый профиль спектра излучения (рис. 10.18 и рис. 10.19). Файлы данных, использованные при расчетах именованы: имя файла = s - индекс спектра; первое число - коэффициент вклада небесного свода; второе - лунного света; третье - звездного света; четвертое – прожектора. Нуль впереди числа указывает на дробь. Например: s2_1_05_06.dat – коэффициенты суммирования – 2, 1, 0.5, 0.6).

Рис. 10.18. Спектр излучения со слагаемыми – 2, 1, 0.5, 0.6

Рис. 10.19. Спектр излучения со слагаемыми – 2, 1, 0.5, 0
Итоговый профиль спектра получается путем сложения компонентов с коэффициентами заданными по энергии. На рис. 10.20 приведен пример изменения итогового спектра при задании коэффициентов сложения по линиям спектра и по энергии (файлы : s2_1_05_06.dat - кривая 1 и se2_1_05_06.dat - кривая 2).

Рис.10.20. Спектры излучения со слагаемыми – 2, 1, 0.5, 0.6. 1 – слагаемые заданы по линии спектра, 2 – слагаемые заданы по энергии

Исходя из данных по ситуации, в которой будут применяться приборы, выбирается программа подготовки спектра.

Отражение излучения от объектов.

При отражении от объекта спектр излучения изменяется. Изменение коэффициента отражения в плоскости предметов и позволяет различать объекты и ориентироваться. Сформируем рабочие файлы коэффициентов отражения по графическим данным. На рис.10. 21 приведен вид коэффициентов отражения различных объектов

Рис. 10.21. Коэффициенты отражения различных объектов

Фотоприемники. В настоящее время известно несколько групп полупроводниковых материалов предназначенных для преобразования оптического излучения в электрический сигнал.

Рис. 10.22. Относительная спектральная чувствительность приемников:

1 - pin- фотодиода; 2 - МОП; 3 - кремниевого; 4 - InGaAs; 5 - глаз человека днем;

6 - ICX 409AL; 7 - ICX 249AL.

В сочетании с характеристиками, описывающими шумы прибора, она определяет способность фотоприемника “видеть объекты”. Но в подавляющем большинстве случаев в документации на фотоприемник приводится величина чувствительности в вольтах или амперах на люкс, изготовители как бы сравнивают данный приемник с глазом человека. Данная характеристика дается в виде графика.

Рис. 10.23. Возможность различия объектов по интегральному излучению фотоприемниками ICX409AL, ICX249AL и глазом человека. Излучатель “s2_1_05_06.dat”
По графикам, взятым из электронных документов или отсканированным сформирован массив данных. Первая строка включает в себя значения длин волн в нм, для которых вычислены параметры чувствительности в последующих строках. В данном случае применена линейная шкала с шагом в 5 нм в диапазоне 400 … 1200 нм. Массив легко дополняется новыми строками и входит в перечень файлов данных пакета оценки параметров сигналов ПНВ. На рис. 10.22 приведены графики, отображающие семь строк данного файла.

На рис. 10.23, 10.24 приведены результаты расчетов при различном виде спектра источника излучения (рис. 10.18). Как видно из графиков, ход кривых существенно зависит от спектра источника излучения. Кроме того, различие в сигналах с ICX249AL, кривая чувствительности которого расширена в область больших длин волн выше, чем у ICX409AL. Данные по ICX409AL и ICX249AL показывают выигрыш последних по интегральной чувствительности в 6,5 раз (min – 680 и 4500 mv; typ – 850 и 5500 mv при близких условиях измерения).

Рис. 10.24. Возможность различия объектов по интегральному излучению фотоприемниками ICX409AL, ICX249AL и глазом человека. Излучатель “se2_1_05_06.dat”
Таким образом, можно определить основные этапы проведения спектрального согласования компонентов оптической цепи прибора:

Вычисляем зависимость энергии излучения источника освещения от длины волны (Это может быть слагаемый источник, компоненты которого подбираются).
Определяем характеристики отражения (пропускания) распознаваемых объектов и фона.
Выбираем и вводим в расчеты кривые чувствительности фотоприемников.
Вычисляем интегралы по длине волны от произведения характеристик каждого сочетания компонентов, определяя сигналы.

11. Помехи в системах формирования изображений

Шумы

Шумом называют любой источник неопределенности сигнала. Можно выделить следующие типы шумов CCD.

Фотонный шум. Является следствием дискретной природы света. Любой дискретный процесс подчиняется закону (статистике) Пуассона. Поток фотонов (S . количество фотонов, падающих на светочувствительную часть приемника за единицу времени) так же следует той статистике. Согласно ей, фотонный шум пропорционален . Таким образом, отношение сигнал/шум (обозначается как S/N . signal/noise ratio) для входного сигнала будет пропорционален.

Шум темнового сигнала. Если на вход матрицы не подавать световой сигнал (например,

плотно закрыть светонепроницаемой крышкой объектив видеокамеры), то на выходе сис-

темы получим так называемые «темновые» кадры, по-другому его называют шум-снежок.

Основной составляющей темнового сигнала является термоэлектронная эмиссия. Чем ниже температура, тем ниже и темновой сигнал. Термоэлектронная эмиссия также подчиняется статистике Пуассона и её шум равен: t N , где Nt . число термически сгенерированных электронов в общем сигнале. Как правило, во всех используемых в системах охранного телевидения видеокамерах CCD применяются без активного охлаждения, вследствие чего темновой шум оказывается одним из основных источников шума.

Шум переноса. Во время переноса зарядового пакета по элементам CCD некоторая часть

электронов теряется. Она захватывается на дефектах и примесях, существующих в кристалле. Эта неэффективность переноса случайным образом меняется как функция количества переносимых зарядов (N), числа переносов (n) и неэффективности отдельного акта переноса (). Если предположить, что каждый пакет переносится независимо, то шум переноса можно представить следующим выражением: = (2nN ) .

Пример: для неэффективности переноса 10-5 , 300 переносов и числа электронов в пакете

105, шум переноса составит 25 электронов.

Шум считывания. Когда сигнал, накопленный в элементе CCD, выводится из матрицы,

преобразуется в напряжение и усиливается, в каждом элементе появляется дополнительный шум, называемый шумом считывания. Шум считывания можно представить как некоторый базовый уровень шума, который присутствует даже в изображении с нулевым уровнем экспозиции, когда матрица находится в полной темноте и шум темнового сигнала равен нулю.

Типичный шум считывания для хороших образцов CCD составляет 15-20 электронов. В

лучших образцах CCD, изготавливаемых корпорацией Ford Aerospace по технологии

Skipper, достигнут шум считывания менее 1 электрона и неэффективность переноса составляет 10-6.

Шум сброса или kTC-шум. Перед вводом в детектирующий узел сигнального заряда необходимо вывести предыдущий заряд. Для этого используется транзистор сброса. Электрический уровень сброса зависит только от температуры и емкости детектирующего узла, что вносит шум: r= q (kTC ) , где k . постоянная Больцмана.

Для типичного значения ёмкости С равной 0.1пф при комнатной температуре шум сброса

составит около 130 электронов. kTC-шум может быть полностью подавлен специальным

методом обработки сигнала: двойной коррелированной выборкой (ДКВ). Метод ДКВ эффективно устраняет и низкочастотные сигналы, вносимые обычно цепями питания.

Поскольку основная нагрузка на системы охранного телевидения приходится на темное

время суток (либо плохо освещенные помещения), то особенно важно уделять внимание

низкошумящим видеокамерам, имеющим большую эффективность применения в условиях низкого освещения.

Параметр, описывающий относительную величину шума, как было сказано выше, называется отношением сигнал/шум (S/N) и измеряется в децибелах.

S/N =20 х log(<�видеосигнал>/<�шум>)

Например, сигнал/шум, равный 60 дБ, означает, что сигнал в 1000 раз больше шума.

При соотношении сигнал/шум 50 дБ и более на мониторе будет видна чистая картинка без видимых признаков шума, при 40 дБ . иногда заметны мелькающие точки, при 30 дБ .

«снег» по всему экрану, при 20 дБ . изображение практически неприемлемо, хотя крупные контрастные объекты через сплошную «снежную» пелену разглядеть еще можно.

В данных, приводимых в описаниях камер, указываются значения сигнал/шум для опти-

мальных условий, например, при освещенности на матрице 10 люкс и при выключенной

автоматической регулировке усиления и гамма-коррекции. По мере уменьшения освещенности сигнал становится меньше, а шум, вследствие действия АРУ и гамма-коррекции, больше.

12. Информационные потоки в системах формирования изображений
Информационная ёмкость фотографической системы оценивается максимальным числом различным состояний (изображений), которое может обеспечить данная система. В простейшем случае информационная ёмкость (I) определяется по формуле: I = n × log2m, где: n — предельно разрешаемое число элементов на единице площади изображения, m — количество передаваемых градаций яркости (полутонов) в изображении. Информационная ёмкость выражается в количестве битов на квадратный миллиметр. Для оценки качества изображения, создаваемого плёночным фотоаппаратом, применяется более сложная формула информационной ёмкости, позволяющая учитывать специфику фотографируемого сюжета и представляющая собой интегральную функцию пространственной частоты, коэффициент контрастности фотоматериала, частотно-контрастную характеристику фотосистемы, спектра гранулярности фотоматериала и пространственно-частотного спектра сюжета съёмки.

С поправками, указанные зависимости используются и для определения информационной ёмкости изображений, получаемых цифровой фототехникой.

Для количественной оценки числа элементов, разрешаемых на площади кадра (n), используются специальные двухмерные миры абсолютного контраста, такие как разработанная в 1969 году д.т.н. И.Н. Чёрным треугольная мира, элементы которой имеют форму равносторонних треугольников с периодом в две высоты треугольников. Кроме указанной, существуют и другие тест-объекты, также, как правило, использующие в качестве элементов равносторонние треугольники или их сочетания.

Выбор треугольных элементов обусловлен тем, что лишь они в предельных случаях сохраняют пространственную решетку, в то время как иные миры (шахматная, шестиугольная и т.д.) в пределе приводятся к одномерным штриховым мирам. Кроме того, двухмерная мира, элементы которой имеют форму равностороннего треугольника, наиболее полно отражает реальные объекты фотографирования, характеризуемые в общем случае различными периодами изменений входного сигнала в меридиональном и сагиттальном направлениях.

13. Частотно-контрастные характеристики объектов и систем, Качество изображения, функция рассеивания точки

Рис. 13.1. Двухмерная треугольная мира И. Чёрного
Различают короткофокусные, длиннофокусные и нормальные объективы. За нормальные параметры принимают параметры глаза человека. Фокусное расстояние может быть постоянным и переменным (вариообъективы). У фотоаппаратов нормальное фокусное расстояние = 18 мм. Есть фотоаппараты с 50мм.

Относительное отверстие.

Это параметр, который показывает соотношение между диаметром входного зрачка и отверстием.

. Определяет характеристику круга рассеивания. k- величина переменная т.к. D (диаметр входного зрачка) - величина переменная. D регулируют диафрагмой. Величина входного отверстия определяет ширину диффузионного колокольчика и определяет световой поток.

Освещённость: , где τ- коэффициент пропускания объектива (0,7-0,8 и т.д.). Т.о. освещённость .

Диафрагмы бывают двух типов:

1). Полевая – ограничивает поле зрения.

2). Апертурная – определяет разрешение диафрагмы системы.

k выбирается из ряда , N=1,… =>k=0,5;0,7;1;1,4;2,8;4;5,6;8;11;16;22 – диафрагмовое число.

Наносятся они на объектив, т.е. увеличивая диафрагму мы уменьшаем световой поток.

Для цифровых фотоаппаратов выпускаются объективы CNC 1,4/8 (марка объектива).

1,4 – входное отверстие; 8 – фокусное расстьяние.

Распределение освещённости по полю.

Глубина резкости.

глубина резкости – зависит от критерия качества, который мы наложили на нашу систему.

Критерий качества:

Поле зрения

Обычно это угловая величина. Объективы делятся по величине поля зрения на нормальные, узкоугольные, широкоугольные, панорамные .

Нормальные -- 40⁰-70⁰

Узкоугольные -- <40⁰

Широкоугольные -- 70⁰-110⁰

Панарамные> -- 110⁰

Добротность объектива:

Современные объективы: C_m=0,22…0,24. Если C_m<0,24, то данный набор параметров реализуем в современном производстве (обычно это объективы без асферики). Очевидно, что нельзя бесконечно увеличивать входное отверстие, угол зрения, и нельзя сделать очень маленькое фокусное расстояние.

Рис. 13.2. Пример упрощенной схемы объектива

HH’ – 20,7, S_f – 13,2, S’_f – 12,6, f ‘ – 11.

Рис. 13.3. Сигнал со строки миры
Разрешающая способность объектива.

Пусть в плоскости изображения мы получим рисунок (выше). В плоскости изображения даны 3 тёмные линии. Если период сигнала Т=2с, то пространственная частота f=0,5 Гц. В нашем случае пространственная частота равна 2линии/мм. Она показывает, сколько линий укладывается в единице длины. Т.о. если взять периодическую структуру, то, изменяя шаг, можно снять частотно-контрастную характеристику объектива.

Рис. 13.4. ЧКХ объектива для различных мир
Также формирование изображений можно описать линейной моделью. При этом в большинстве случаев в соотношении, называемом интегральным уравнением Фредгольма первого рода, весовая функция по каждой из двух переменных зависит только от разности аргументов

При этом удобно перейти в спектральную область, где соотношение записывается:

Здесь и - Фурье-образы исходного и преобразованного изображений; Н (w_x,w_y) — передаточная функция (частотная характеристика) линейной системы.

, где I₁ – функция Бесселя 1-го порядка, - параметр функции, ₀- линейная величина, , к – диафрагменное число.

Две точки считаются предельно-разрешимыми, если предельное расстояние = ₀.

Для оценки качества изображения фотографической системы используются несколько методик, основными из которых являются: измерение разрешающей силы, определение пограничной нерезкости и частотно-контрастной характеристики объектива.

Каждая из перечисленных методик имеет свои сильные и слабые стороны. Например, оценка объектива по пограничной кривой, т.е. по резкости даваемого объективом изображения, не может полностью характеризовать эксплутационные возможности объектива. Такой же недостаток присущ и оценке объективов по фотографической или визуальной разрешающей силе, по которой невозможно судить о резкости даваемого объективом изображения. Оба этих метода оценки объективов основаны на двух различных способах подхода к восприятию дифракционного изображения точки, точнее — к характеру распределения световой энергии в пределах дифракционного пятна.

Максимальная разрешающая способность получается при малых размерах центральной зоны дифракционного пятна и, естественно, при интенсивных кружках рассеяния. Наивысшая резкость, наоборот, получается при больших размерах центральной зоны пятна и почти полном отсутствии кружков рассеяния.

Частотно-контрастная характеристика, по которой можно более полно оценить различные аспекты качества изображения, достаточно трудоемка, сложна в применении и ее использование для целей сравнения бывает затруднено.

Кроме перечисленных характеристик, для оценки качества изображения может применяться такой интегральный показатель, как информационная ёмкость фотографической системы.

Рис. 13.5. ФРТ - сечение дифракционного пятна объектива

Разрешающая сила (или разрешающая способность) служит для оценки способности объективов давать раздельные изображения очень мелких близко расположенных деталей изображаемых предметов. Количественно равна максимальному числу штрихов (линий), приходящихся на 1 мм оптического изображения специальной испытательной таблицы (миры), получающихся в этом изображении раздельно 1).

Если разрешающую способность определяют в оптическом изображении, которое образует объектив, рассматривая это изображение, то такая разрешающая сила называется собственной или визуальной. Величина визуальной разрешающей силы зависит от ряда факторов, главными из которых являются:

1) дифракция света на круглых отверстиях оправ, в которые вмонтированы линзы и другие компоненты объектива;

2) остаточные аберрационные погрешности оптической системы объектива;

3) светорассеяние в объективе;

4) яркостной контраст между промежутками и самими штрихами в мире — контраст миры.

Если оценивать разрешающую способность объектива по фотографическому изображению миры, то к вышеперечисленным факторам добавляются: разрешающая способность фотослоя, эффекты проявления и другие факторы, которые еще более уменьшают величину разрешающей силы.

Разрешающая сила, определенная по фотографическому изображению миры, называется фотографической. Фотографическая разрешающая сила для съемочных объективов является основной, ее измерение производится по стандартным методикам и именно она указывается в характеристиках объективов отечественного производства.

Фотоизображение миры (штриховой или радиальной) получают на черно-белой кинопленке типа КН-1. При использовании другого фотоматериала для измерений, этот факт указывается особо.Стандартно разрешающая сила определяется при полностью открытой диафрагме объектива и в технических данных на объектив приводится для двух точек — центра и «края», иногда именуемого «полем», т.е. точки, удаленной от центра кадра на 19 мм для малого формата 24×36 мм.

Визуальная разрешающая сила Rv, разрешающая способность фотослоя Rf и фотографическая разрешающая сила R соотносятся друг с другом приблизительно в следующей пропорции: 1/R = 1/Rv + 1/Rf;, называемой формулой Катца

Для съемочных объективов характерно, что Rv > Rf > R

Рис. 13.6. Приблизительное соотношение фотографической и визуальной разрешающей силы объектива
При различных значениях диафрагмы разрешающая сила объектива различна. Как правило, она минимальна при полностью открытом отверстии диафрагмы. Именно это, худшее значение, приводится в технических характеристиках отечественных объективов. С закрытием диафрагмы уменьшаются остаточные аберрации оптической системы и разрешающая сила растет. При малых световых отверстиях, обычно начиная со значения диафрагмы 11, разрешающая сила понижается вследствие влияния дифракции света.

Рис. 13.7. Примерная зависимость фотографической разрешающей силы объектива от значения диафрагмы

В отечественной теории и фотографической практике штрихи всегда считаются разделенными промежутками контрастного фона толщиной, равной толщине штриха. В стандартизированном для видео- и цифровой фототехники международном (см, например, ISO 12231, ISO 12233) термине "пара линий", за "линию" считается также и промежуток между штрихами (что физически неверно, т.к. в таком случае пространственная частота получается обратна полупериоду миры). Соотношение разрешающей способности, выраженной в парах линий на миллиметр (lp/mm), выраженной в линиях на миллиметр (lines/mm) -- по ISO, и выраженной в линиях на миллиметр (лин/мм) по отечественным стандартам при тех же критериях определения таково: 1 lp/mm = 2 lines/mm = 1 лин/мм (= 1 мм−1).
В характеристиках, если не указано иное, указываются данные из технических условий, т.е. наихудшие допустимые значения параметров.
Формула Катца является частным случаем предложенной Л. Морозом зависимости для случая безаберрационного (идеального) объектива. Кроме приведенной формулы, существуют и иные, например: 1/R2=1/Rv2+1/Rf2; R=RfRv/(Rf+Rv) и др. Разрешающая сила системы с реальными объективами отличается от значений, определяемых по приближенным формулам, причем, иногда очень существенно.

Более правильной могла бы быть оценка качества объектива в виде особой угловой разрешающей способности, определенной на основе фотографической разрешающей способности с учетом величины масштабирования изображения (т.е. фокусного расстояния объектива). Такую характеристику, показывающую насколько мелкие детали объекта могут быть изображены объективом, называют «изобразительной способностью» объектива:

ψ = arctg	cos2ω

	R × f

Где: ψ — изобразительная способность (в сантиградах), ω — половина угла поля зрения, f — фокусное расстояние объектива, R — фотографическая разрешающая способность в данной точке изображения.
К изобразительной способности близка т.н. «добротность» фотографической системы:

Θ = arctg	1

	2 × R × f

Где: Θ — добротность, f — фокусное расстояние объектива, R — фотографическая разрешающая способность.
Выделяющая способность — величина, обратная диаметру круга, равновеликого по площади геометрическому изображению объекта, предельно опознаваемого по форме:

N =	1

	d

Где: N — выделяющая способность, d — указанный диаметр.
Выделяющую способность вводят для описания способности фотографической системы к воспроизведению двумерных объектов, у которых отношение длины к ширине не превышает пяти. Экспериментально установлено, что между выделяющей и разрешающей способностями существует относительно устойчивая взаимосвязь:

N = α × R

Откуда следует, что размер (d) геометрического изображения объекта, опознаваемого по форме, в 1/α раз больше периода предельно разрешаемого поля миры.
Для опознавания формы простых геометрических фигур (круга, квадрата и т.д.) с вероятностью 0,80 коэффицент α = 0,30...0,40.

Пограничная нерезкость, представляемая обычно с помощью пограничной кривой, является мерой визуальной оценки резкости в оптическом или фотографическом изображении, даваемом объективом. Пограничная кривая показывает, как изменяется освещенность (или оптическая плотность) в месте перехода от черного к белому и наоборот. Поэтому пограничную кривую называют кривой перехода или кривой резкости. Для нахождения пограничной кривой в фотоизображении с помощью микрофотометра измеряют оптическую плотность почернения в месте перехода от белого к черному в направлении, перпендикулярном линии раздела. По результатам измерения строят график пограничной кривой. Зона перехода назовется зоной нерезкости и по ее продолжительности, а так же по крутизне перехода судят о резкости или «острости» фотоизображения.

У большинства объективов плоскость изображения с наивысшим разрешением не совпадает с плоскостью изображения, визуально воспринимаемого наиболее резким. В связи с этим оценку качества объективов можно производить также и по величине т.н. фактора резкости, который вычисляется по формуле:

Φ =	f	100%

	f + 250 Δ

Где Φ — фактор резкости, f — фокусное расстояние объектива в миллиметрах, Δ — расстояние в миллиметрах между плоскостями изображений, соответствующими наибольшей разрешающей силе и наивысшей резкости.

При факторе большем 80% объектив считается хорошего, а в диапазоне от 70 до 80 процентов — удовлетворительного качества.

Любую систему, предназначенную для получения изображений, можно характеризовать так называемой передаточной функцией, включающей две характеристики: амплитудно-частотную (АЧХ) и фазово-частотную (ФЧХ).

АЧХ показывает, каким образом данная оптическая система влияет на интенсивность проходящей через нее световой энергии. Эта характеристика выражает взаимосвязь между соотношениями интенсивностей, т.е. контрастами, имеющими место, как в самом объекте, так и в его изображении. При этом указанная взаимосвязь определяется в зависимости от пространственных частот, содержащихся в изображаемом объекте, т.е. косвенным образом — от размеров и формы последнего.

ФЧХ показывает, как данная система обеспечивает взаимное расположение точек в изображении (их координаты) в соответствии с расположением идентичных точек в изображаемом объекте. Возможный фазовый сдвиг в положении точек изображения является следствием остаточных аберраций, присущих данной системе, таких как дисторсия, астигматизм, кривизна поля и кома. При этом дисторсия приводит к некоторому постоянному по величине сдвигу, не зависящему от пространственной частоты, а остальные аберрации проявляются в виде ассиметричного распределения световой энергии в пятне рассеяния (дифракционном пятне).

Таким образом, если АЧХ показывает, какие амплитудные искажения вносит данная изображающая система, то ФЧХ характеризует эту систему в отношении вносимых ею фазовых искажений, причем оба вида искажений определяются в зависимости от пространственной частоты деталей в изображаемом объекте.

Следует отметить, что АЧХ проявляется по всему полю изображения, а ФЧХ — главным образом, по краям поля. Для большинства объективов определять ФЧХ не имеет большого смысла, за исключением объективов, имеющих или большие углы поля изображения (сверхширокоугольные объективы), или большие относительные отверстия (сверхсветосильные объективы), а также для объективов, используемых в точной фотографии, для аэрофотосъемки и некоторых специальных видов съемки.

Для большинства съемочных объективов передаточная функция приравнивается АЧХ, которая получила название частотно-контрастной характеристики (ЧКХ). График ЧКХ показывает зависимость между коэффициентом передачи контраста в изображении объекта и пространственной частотой в изображаемом объекте. В общем случае под пространственной частотой понимают величину, обратную периоду решетки, содержащей периодические повторяющиеся штрихи и промежутки между ними.

С целью выявления влияния пространственной частоты решетки на передачу контраста применяют или набор решеток или специальную решетку с изменяющейся частотой ее штрихов.

Лучшей решеткой для определения ЧКХ и последующего анализа является синусоидальная, где яркость изменяется по синусоидальному распределению, однако, такую решетку изготовить очень трудно, поэтому чаще применяется прямоугольная решетка с резким перепадом между яркостями промежутков и штрихов.

Измеренные той или иной методикой значения разрешающей силы и построенные графики характеристик могут быть сравнимы для других объективов только при наличии данных, полученных по в точности той же методике.

Строго говоря, сравнивать возможно только данные, полученные при испытаниях, проведенных одновременно. Любые изменения при исследованиях, касается это тест-объектов (мир), освещенности, светочувствительного материала, режимов проявки и самой методики тестирования, — все будет сказываться на полученных результатах, причем полученные значения могут существенно, в разы, отличаться друг от друга 4). Поэтому, например, абсолютно бессмысленно, без наличия дополнительных опорных данных, напрямую сравнивать значения разрешающей способности объективов, измеренных с использованием нормированной для отечественной промышленности методики с иностранными данными, зачастую — неизвестного способа получения.

4) -- Именно это обстоятельство может служить объяснением случаев подозрительно большой разницы паспортной разрешающей силы старых отечественных объективов по сравнению с объективами более поздних лет разработки.

Разрешающая сила объективов или их «качество» в реальных условиях съемки зависит от множества других факторов:

Во-первых, при съемке реальных объектов, отличных от, как правило, монохромных тест-объектов, применяемых при лабораторных исследованиях, начинает сказываться разнообразный спектральный состав элементов изображения. Именно поэтому, специальные высокоразрешающие объективы для монохромной съемки рассчитываются для применения исключительно со светофильтрами, отсекающими мешающие длины волн.
Во-вторых, качество изображения резко снижается при неточной наводке, из-за колебаний фотоаппарата при съемке и из-за других факторов.

Например, даже небольшие ошибки в фокусировке могут снизить паспортную, лабораторно-измеренную разрешающую силу объектива до 80%. При полностью открытой диафрагме нормального объектива, ошибка в фокусировке на несколько миллиметров может снизить разрешающую силу в два раза.

Ошибки в фокусировке субъективно зависят от опытности фотографа, его внимательности и аккуратности, правильности диоптрической коррекции зрения, а технически — от точности юстировки фотоаппарата, принципиальной точности конструкции дальномерного устройства, типов применяемых при наводке фокусировочных элементов и точностей изготовления этих деталей — фокусировочных экранов и т.д.

Точность работы дальномерного устройства зависит от его конструкции и колеблется в пределах от +0,025 мм до +0,1 мм в плоскости изображений. Погрешность фокусировки по матовому стеклу при полном относительном отверстии объектива составляет +0,05 мм, при диафрагмировании погрешность увеличивается до +0,1 мм. Фокусировочные клинья (клинья Додена) обеспечивают наименьшую погрешность фокусировки +0,025 мм, однако им присущи определенные недостатки при использовании.

Разрешающая способность зависит и от точности и ошибок автофокусировки, если она имеется, от ее типа, чувствительности и быстродействия (для повышения быстродействия разработчики сознательно идут на существенное ухудшение точности работы системы). При съемке малоконтрастных объектов с применением пассивной системы автофокуса вероятность появления нерезких снимков сильно возрастает.

Микро сдвиг изображения, особенно проявляющийся при съемках с рук на выдержках длиннее 1/125 с, а на выдержках длиннее 1/30 с — вообще неизбежный 5), если не использовать штатив или иное устройство или систему стабилизации, влечет за собой ухудшение разрешающей силы на половину и более, если ни приводит к полному смазу изображения (так называемой «шевеленке») — техническому браку фотографии.

В некоторых источниках оценивается максимально достижимая разрешающая возможность объективов при съемки с рук. Отмечается, что при любых условиях реальных съемок, естественные и неустранимые колебания фотоаппарата, находящегося в руках фотографа и вызванные влиянием сердечного пульса, тремором и прочими непроизвольными движениями человеческого тела, в принципе не позволяют делать снимки с разрешающей возможностью более 50 линий на миллиметр. Аналогичная ситуация возникает и при съемке движущихся объектов.

Загрязнение оптики также снижает ее разрешающую силу, несколько отпечатков пальцев на передней линзе объектива может привести к 20-ти процентному ее снижению. То же самое относится и к чистоте фильтров и к их качеству.

Существенно на качество получающихся снимков с точки зрения разрешающей способности, могут повлиять и другие моменты, на первый взгляд не относящиеся к фокусировке, но которые так или иначе снижают контраст изображения — повышенное светорассеяние внутри камеры, паразитные засветки и прочее.

5) -- Приведенные выдержки указаны для нормальных объективов. Линейная величина сдвига изображения зависит от угла поля зрения объектива -- чем меньше угол, т.е. чем больше фокусное расстояние, тем "чувствительнее" объектив к микросдвигам, тем на меньшей выдержке он становится заметным. Обычная ориентировочная рекомендация для малоформатных фотокамер такова: выдержка при съемки с рук не должна быть длиннее 1/f секунды, где f -- фокусное расстояние объектива в миллиметрах.

14. Зрение человека и животных

Устройство глаза

На рис. 14.1 показан поперечный размер глазного яблока человека. Свет попадает в глаз через роговицу и фокусируется хрусталиком на внутренний слой глаза, называемый сетчаткой. Сетчатка преобразует свет в импульсы в нервных волокнах и состоит из трех слоев клеток. Удивительно то, что светочувствительные клетки, известные как колбочки и палочки, формируют слой клеток в задней части сетчатки.

Рис. 14.1. Поперечный разрез глаза
Таким образом, свет должен вначале пройти два слоя клеток, прежде чем он воздействует на колбочки и палочки. Причины для такого обратного устройства сетчатки не полностью поняты, но одно из объяснений состоит в том, что расположение светочувствительных клеток в задней части сетчатки позволяет любому паразитному непоглощенному свету попасть на клетки находящиеся непосредственно позади сетчатки, которые содержат черный пигмент - меланин. Клетки, содержащие меланин, также помогают химически восстанавливать светочувствительный визуальный пигмент в колбочках и палочках после того, как они были отбелены на свету.

Глаза у всех позвоночных похожи на глаза человека, а глаза у беспозвоночных либо сложные (фасеточные) как у насекомых, либо недоразвитые в виде светочувствительного пятна. Только у осьминогов глаза устроены как у позвоночных, но светочувствительные клетки находятся непосредственно на внутренней поверхности глазного яблока, а не как у нас позади других слоев, занимающихся предварительной обработкой изображения.

Внутренний слой сетчатки глаза содержит два типа светочувствительных рецепторов, занимающих область с раствором около 170^° относительно зрительной оси: 100 млн. палочек (длинные и тонкие рецепторы ночного зрения), 6.5 млн. колбочек (короткие и толстые рецепторы дневного зрения). Информация от рецепторов передается в мозг по зрительному нерву, содержащему около 800 тысяч волокон.

Колбочки и палочки содержат зрительные пигменты. Зрительные пигменты очень похожи на любые другие пигменты, в том, что они поглощают свет и степень поглощения зависит от длины волны. Важное свойство зрительных пигментов состоит в том, что когда зрительный пигмент поглощает фотон света, то изменяется форма молекулы и в то же самое время происходит переизлучение света. Пигмент при этом изменился, измененная молекула поглощает свет менее хорошо, чем прежде, т.е. как часто говорят, "отбеливается". Изменение формы молекулы и переизлучение энергии некоторым, пока еще не вполне ясным образом, инициируют светочувствительную клетку к выдаче сигнала.

Информация от светочувствительных рецепторов (колбочек и палочек) передается другим типам клеток, которые соединены между собой. Специальные клетки передают информацию в зрительный нерв. Таким образом, волокно зрительного нерва обслуживает несколько светочувствительных рецепторов, т.е. некоторая предварительная обработка изображения выполняется непосредственно в глазу, который, по сути, представляет собой выдвинутую вперед часть мозга.

Область сетчатки, в которой волокна зрительного нерва собираются вместе и выходят из глаза, лишена светочувствительных рецепторов и называется слепым пятном.

Радужная оболочка (рис. 14.1) действует как диафрагма, изменяя количество света, проходящего в глаз. Диаметр зрачка меняется от ~ 2 мм (при ярком свете) до ~ 8 мм (при малой освещенности). За сетчаткой находится сосудистая оболочка, которая содержит капилляры, снабжающие глаз кровью. Наружная оболочка глаза - склера, состоит их плотных волокон.

Глаз - самый универсальный светоприёмник.

До сих пор самым эффективным и совершенным, с точки зрения динамического диапазона (и, в особенности, с точки зрения эффективности обработки и восстановления изображения), светоприёмником является человеческий глаз. Дело в том, что глаз человека совмещает два типа светорегистраторов: палочки и колбочки.

Палочки имеют малый размер и сравнительно низкую чувствительность. Они расположены в основном в области центрального жёлтого пятна и практически отсутствуют на периферии сетчатки глазного дна. Палочки хорошо отличают свет с разной длиной волны, точнее имеют механизм формирования разного нейросигнала в зависимости от цвета падающего потока. Поэтому в условиях нормальной освещенности обычный глаз имеет максимальное угловое разрешение вблизи оптической оси хрусталика, максимальное различие цветовых оттенков. Хотя у некоторых людей наблюдаются патологические отклонения, связанные с уменьшением, а иногда отсутствием способности формировать различные нейросигналы в зависимости от длины волны света. Эта патология называется дальтонизм. Люди с острым зрением практически не бывают дальтониками. Колбочки распределены почти равномерно по всей сетчатке глаза, имеют больший размер и, следовательно, большую чувствительность.

В условиях дневного освещения сигнал от палочек значительно превышает сигнал от колбочек, глаз настроен на работу с ярким освещением (так называемое «дневное» зрение). Палочки по сравнению с колбочками имеют больший уровень «темнового» сигнала (в темноте мы видим ложные светлые «искорки»).

Если неуставшего человека с обычным зрением поместить в тёмную комнату и дать ему адаптироваться («привыкнуть») к темноте, то «темновой» сигнал от палочек сильно уменьшится и в восприятии света начнут эффективнее работать колбочки («сумеречное» зрение).

В знаменитых опытах С.И.Вавилова было доказано, что человеческий глаз (вариант «колбочки») способен регистрировать отдельные 2-3 кванта света. Таким образом, динамический диапазон человеческого глаза: от яркого солнца до отдельных фотонов, составляет 1010 (т.е. 200 децибел!). Наилучшим по этому параметру искусственным светоприемником является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). В режиме счета фотонов он имеет динамический диапазон до 105 (т.е. 100 дБ), а с устройством автоматического переключения на регистрацию в аналоговый режим динамический диапазон ФЭУ

может достигать 107 (140 дБ), что в тысячу раз хуже по динамическому диапазону, чем глаз человека.

Спектральный диапазон чувствительности у палочек весьма широк (от 4200 до 6500 ангстрем) с максимумом примерно на длине волны 5550 ангстрем. У колбочек спектральный диапазон более узкий (от 4200 до 5200 ангстрем) с максимумом на длине волны около 4700 ангстрем. Поэтому при переходе от дневного зрения к сумеречному обычный человек теряет способность различать цвета (недаром говорят: «ночью все кошки серы»), а эффективная длина волны смещается в синюю часть, в область высокоэнергетичных фотонов. Этот эффект смещения спектральной чувствительности называется эффектом Пуркинье. Им (косвенным образом) обладают многие цветные CCD-матрицы, несбалансированные по RGB-сигналу на белый цвет. Это следует учитывать при получении и использовании информации о цвете в телесистемах с камерами, не имеющими автоматической коррекции белого.

Чувствительность глаза

При ярком свете чувствительность палочек мала, но при низких уровнях освещенности их чувствительность возрастает и обеспечивает нашу способность видеть при тусклом свете. Палочки содержат пигмент с максимальной чувствительностью на длине волны около 510 нм (точечная линия на рис. 14.2), в зеленой части спектра. Пигмент палочек часто называется зрительным пурпуром из-за его цвета. Максимальная плотность палочек приходится на область с раствором около 20^° относительно оси.

Рис. 14.2. Спектральная чувствительность глаза

Колбочек существует три типа отличающихся фоточувствительным пигментом. Колбочки обычно называют "синими", "зелеными" и "красными" в соответствии с наименованием цвета, для которого они оптимально чувствительны. Упомянутые три пигмента имеют максимальные поглощения приблизительно на 430, 530 и 560 нм. Этим длинам волн соответствует не синий, зеленый и красный цвета, а фиолетовый, сине-зеленый и желто-зеленый. Обозначим их как коротко-, средне -, длинноволновые колбочки. Максимальная плотность колбочек достигается в области с раствором порядка 8^°×6^° относительно оси, называемой желтым пятном. В центре этой области (ямке) к каждой колбочке подходит отдельное волокно зрительного нерва. Это область максимальной остроты зрения. Суммарная кривая спектральной чувствительности глаза для случая яркого освещения, т.е. цветного зрения, показана на рис. 14.2 сплошной линией. Из этих графиков видно почему "ночью все кошки серы". В самом деле, например, отклик на красный цвет (l = 700 мкм) при низких уровнях освещения (точечная кривая на рис. 14.2) практически равен нулю. Поэтому красный цвет ночью будет выглядеть черным.

В силу того, что коэффициент преломления в радужке и хрусталике растет с увеличением частоты света, глаз не избавлен от хроматической аберрации. Т.е. если изображение сфокусировано для одной из пространственных частот, то на других частотах изображение расфокусировано. Хрусталик оптимально фокусирует на сетчатке свет с длиной волны около 560 нм. Так как пики чувствительности средне- длинноволновых колбочек (530 и 560 нм, соответственно) близки к друг к другу, поэтому изображения для этих колбочек могут быть одновременно сфокусированными. Изображение же для коротковолновых палочек будет размытым. Так степень фокусировки разная, то не требуется одинаковой разрешающей способности глаза для разных типов колбочек. В глазу человека на одну коротковолновую колбочку приходится 20 средне- и 40 длинноволновых. В этой связи понятно, почему ширина полосы пропускания для "холодных", коротковолновых цветов в телевидении может быть выбрана существенно меньшей без субъективно заметной потери верности воспроизведения.

Человеческий глаз состоит примерно из 7 млн. колбочек и 120 млн. палочек. Функция палочек заключается в «ночном зрении» - светочувствительности и приспособлении к окружающей яркости. Функция колбочек - «дневное зрение» - восприятие цвета, формы и деталей предмета. В них заложены три типа воспринимающих элементов, каждое из которых воспринимает световое излучение только определенной длины волн, соответствующих одному из трех основных цветов: красному, зеленому и синему. Остальные цвета и оттенки получаются смешением этих трех.

Глаза людей и животных обладают способностью отражать свет, попадающий в них. Так как задняя стенка глазного яблока вогнута, а перед ней расположена собирательная линза – хрусталик, то получается световозвращатель. Благодаря оптическим свойствам глаза сильный свет, например, свет автомобильных фар или фотовспышки, отражается от глазного дна.

У человека отблеск будет красного цвета благодаря цвету кровеносных сосудов глазного дна и зрительного пурпура. Именно поэтому не рекомендуется фотографировать людей крупным планом со вспышкой на цветную пленку. У портретов, сделанных с нарушением этого правила, красный цвет глаз. Эффект особенно заметен при слабом освещении, когда зрачки максимально расширены.

У многих животных, особенно у тех, которые ведут преимущественно ночной образ жизни, под сетчаткой глаза расположен тапетум, или отражательная оболочка. Это слой серебристых кристалликов гуанина, того же вещества, которое придает блеск рыбьей чешуе. Тапетум может иметь различную окраску – синеватую, зеленоватую или желтоватую, в зависимости от цвета пигментации.

В обычном глазу значительное количество света проходит сквозь сетчатку, не вызывая реакции ее чувствительных клеток. Тапетум отражает свет, направляя его на сетчатку еще раз, то есть свет используется дважды. Такое устройство глаза значительно повышает его чувствительность. Например, кошка способна ясно видеть окружающие предметы при освещенности в шесть раз меньшей той, что нужна человеку.

Если стоять прямо перед животным, можно видеть заметный блеск, даже если глаза отражают всего лишь слабое свечение ночного неба. В темноте этот блеск наиболее заметен. При полном отсутствии света глаза животных не светятся.

Тапетум не обязательно покрывает все глазное дно. Он может подстилать лишь часть сетчатки, в форме полумесяца, треугольника или ромба. В таких случаях можно наблюдать любопытный эффект, связанный с тем, что тапетум дает сильный сине-зеленый отблеск, а глазное дно без тапетума – более слабый, красный. При съемке со вспышкой удается сделать снимок, на котором два глаза одного животного светятся разным цветом или в одном глазу видны два цвета. Такое сложное устройство глаза не зря навело человека на мысль, что глаз сугубо индивидуальный орган, а со временем и то , что он зеркало общего состояния организма, будь то человек или животное. Я не зря подвожу к этому, так как основной целью данной работы является именно исследование и анализ основных характеристик радужной оболочки.

Распознавание образов (объектов, сигналов, ситуаций, явлений или процессов)-едва ли не самая распространенная задача, которую человеку приходится решать практически ежесекундно от первого до последнего дня своего существования. Для решения этой задачи человек использует огромные ресурсы своего мозга, включая одновременно около 10-12 млрд. нейронов. Именно это дает возможность людям мгновенно узнавать друг друга , с большой скоростью читать печатные и рукописные тексты, безошибочно водить автомобили в сложном потоке уличного движения , осуществлять отбраковку деталей на конвейере , дешифровать аэро- и космические фотоснимки , разгадывать коды , древнюю египетскую клинопись и т. д.

Глаз человека чувствует излучение 10^-17  = 10нм (25квантов/сек). Динамический диапазон 200 децебел. Разрешение по контрасту 10^-3.Человек видит колбочками d = 5мкм.Угол поля зрения человеческого глаза: вертикальный – 125⁰; горизонтальный – 150⁰.По цвету человек различает изменение длины волны на 1нм.Инертность глаз человека: 0,05 – 2с.Он разрешает в поле 10⁵ элементов изображения, 600 ступеней яркости. Это порождает световой поток – 10⁶ элементов канала. Получает информацию  1Мбайт/сек.

15. Приборы наблюдения
Оптическим компонентом приборов наблюдения является объектив. Все разнообразие объективов можно классифицировать по различным признакам. Из которых для фотографа самой важной характеристикой объектива будет его угол поля зрения (изображения)

1). В зависимости от угла зрения характер получаемого объективами изображения различен, т.к. изменяются масштабы объектов, расположенных на разном расстоянии. Например, снимки, сделанные остроугольными объективами кажутся сжатыми в глубину, а широкоугольными — удлиненными.

Однако, чисто технически, в первую очередь указывается другая величина: фокусное расстояние, выраженное в миллиметрах (реже — в сантиметрах). В отличие от угла поля зрения, которое определяется форматом кадра, фокусное расстояние — величина независимая.

Кроме деления по фокусному расстоянию, объективы подразделяются на различные типы по конструктивным особенностям и применению: штатные, макрообъективы, зеркальные, портретные объективы, монокли и т.д., по схемному решению — типу оптической схемы, и по другим признакам.

В связи с тем, что большинство объективов рассчитано для определенных форматов кадровых рамок (кадров), то их можно условно подразделить на следующие группы:
1-я группа — объективы, у которых фокусное расстояние примерно равно диагонали кадра. Такие объективы принято называть нормальными. Для формата 24×36 мм диагональ кадра приблизительно равна 43 мм, для формата кадра 6×6 см диагональ кадра примерно равна 85 мм.
2-я группа — объективы, у которых фокусное расстояние меньше диагонали кадра (часто указывается: меньше 0,9 диагонали изображения). Такие объективы называются короткофокусными.
3-я группа — объективы, у которых фокусное расстояние больше диагонали кадра (часто указывается: больше 1,5 диагонали изображения). Такие объективы называются длиннофокусными. В последнюю группу также входят и так называемые телеобъективы.

Указываемый в характеристиках объективов угол — есть угол поля изображения, образованный двумя главными лучами, проходящими через два противоположных угла кадрового окна, ограничивающего размеры получаемого изображения.

Из группы широкоугольных объективов выделяются: подгруппа сверхширокоугольных объективов, характеризующихся большими углами поля зрения, равными двум нормальным углам и более (в литературе приводится значение >83°), и подгруппа дисторзирующих объективов типа «рыбий глаз» (английское название: fish eye), имеющих углы поля зрения от 120° и более. Из длиннофокусных объективов выделяются сверхдлиннофокусные, имеющие углы поля зрения меньшие 9°. Диапазон фокусных расстояний объективов, используемых с малоформатными фотоаппаратами, составляет от 6 до 2000 мм (углы поля зрения приблизительно равны от 150° до 1°), в любительской практике более распространены фокусные расстояния от 20 до 200 мм.

Объективы могут иметь возможность получать изображение различного масштаба при съемке с одной и той же точки. Фокусное расстояние у таких объективов, соответственно, изменяется. Оптические системы переменного увеличения разделяются на устройства с дискретным и непрерывным изменением увеличения. Последние, называемые панкратическими, условно 3) подразделяются на вариообъективы и трансфокаторы.

У вариообъектива изменение масштаба изображения осуществляется посредством непрерывного перемещения одного или нескольких компонентов вдоль оптической оси. Трансфокатор представляет собой систему, состоящую из афокальной панкратической насадки с переменным угловым увеличением и неподвижного объектива с постоянным фокусным расстоянием.

С точки зрения расчета 4), у вариообъективов оптическая система корригирована в отношении всех аберраций как единое целое, а у трансфокаторов, т.е. систем «насадка — объектив» — собственно объектив и расположенная впереди его насадка переменного увеличения корригируются независимо и самостоятельно в отношении всех аберраций, за исключением остаточной положительной кривизны поля собственно объектива, которая компенсируется отрицательной кривизной поля, вносимой афокальной насадкой.

С эксплуатационной точки зрения обе группы объективов почти тождественны, за исключением случая, когда афокальная насадка может устанавливаться позади объектива. Панкратические объективы дают изображение худшего качества, нежели равные им по уровню технологии изготовления объективы с неизменяемым фокусным расстоянием.

Безотносительно размеров кадра, нормальными объективами называются такие, фокусное расстояние которых больше вершинного фокусного расстояния и меньше расстояния от первой преломляющей поверхности объектива до плоскости изображения. Часто указывается, что угол поля зрения таких объективов примерно равен углу четкого зрения глаза человека, однако главная особенность «настоящих» нормальных объективов заключается в том, что получаемые при съемке ими объекты на фотографии имеют пропорции, близкие к наблюдаемым невооруженным одним глазом. В литературе подобные объективы, для подчеркивания именно этого аспекта, иногда называют «натуральными».

Отличительной особенностью телеобъективов являются сравнительно малые габариты при больших фокусных расстояниях. Это обеспечивается особым построением оптической схемы за счет вынесения главных оптических плоскостей вне объектива.

Реверсивными (обратными) телеобъективами называются такие объективы, фокусное расстояние которых равно или меньше заднего вершинного фокусного расстояния. Такие, как бы перевернутые телеобъективы, — короткофокусные.

В отечественной практике объективы маркировались следующим примерным образом:
MC Вариозенитар-K 2,8-3,5/25-45, где: MC — признак многослойного просветления, Вариозенитар — марка объектива, K — дополнительный буквенный индекс, здесь — тип крепления (байонетная оправа типа «K»), 2,8-3,5 — диапазон максимальных относительных отверстий, в нашем случае: от 1:2,8 до 1:3,5 на различных фокусных расстояниях,25-45 — диапазон фокусных расстояний в миллиметрах.Дополнительные буквенные индексы (А, Б, В, Д, K, М, Н, С, Т, У, Ц, Ш и другие) и один цифровой индекс («2») использовались в маркировке объективов для обозначения типа крепления, назначения объектива, выделения особых конструктивных признаков и даже для указания места изготовления.

Объективы до 1980 г. имели, как правило, собственные номера: Юпитер-21М 4/200, где: Юпитер — название марки объектива, иногда говорящей об оптической схеме, иногда — о производителе, 21 — условный номер разработки, обычно ни к чему не привязанный,

М — дополнительный буквенный индекс, здесь — признак моргающей (мигающей) диафрагмы, 4 — максимальное относительное отверстие 1:4, 200 — фокусное расстояние объектива в миллиметрах.В тексте и в обозначениях использовалась следующая запись фокусного расстояния: «F'=200» — с обязательным штрихом, что правильно с формально-научной точки зрения, но совершенно излишне для потребителя (когда в научной или технической литературе речь идет о расстояниях до фокусировочной плоскости, эти расстояния помечаются штрихом, для отличия от расстояний до объекта, которые считаются главными).

В иностранной практике (за исключением немецких производителей фототехники) в текстах используется несколько другой порядок в обозначениях — сначала указывается фокусное расстояние, как наиболее главная характеристика, а затем, через дробь — относительное отверстие (50/2 вместо отечественного 2/50). Такой порядок представляется более правильным, нежели заимствованный в отечественную практику из Германии, так как полностью соответствует определению относительного отверстия. В англоязычной литературе фокусное расстояние обозначается прописным «f», в немецкой литературе — заглавным «F».

На объективах можно встретить различный порядок следования данных, для примера приведем обозначения объектива с фокусным расстоянием в 50 мм и максимальным относительным отверстием 1:2 — 2/50, 1:2/50, 1:2 f=50mm, 50mm 1:2.0, f=50mm 1:2, 50mm F2 и т.д.

Рассмотрим основные особенности применения приборов наблюдения, ориентируясь на опыт фирмы «ЭВИСИ» Россия.

При построении приборов наблюдения, особое внимание обращают на наблюдение ночью. Выбирают камеры с чувствительными фотоприемниками, светосильные асферические объективы, применяют систему искусственной подсветки объектов и территорий. При этом часто забывают об особенностях наблюдения днем, считая, что если света много, то и так все будет видно. Однако, именно при ярком солнечном свете возникают ситуации, когда на изображении, формируемом охранной камерой возможна потеря не только больших участков, но и всего изображения. Рассматрим особенности наблюдения при ярком солнечном освещении.

Главной причиной, приводящей к ухудшению качества наблюдения в дневных условиях, является высокий абсолютный контраст изображения, то есть, отношение освещенностей самого яркого и самого темного из наблюдаемых объектов. Ночью абсолютный контраст может быть менее 100, в случае, когда объекты освещены рассеянным светом ночного неба.

Рис. 15.1. Иллюстрация увеличения контраста изображения при увеличении освещенности.

Днем абсолютный контраст увеличивается до десятков тысяч, а при попадании Солнца в поле зрения телевизионной камеры и до миллиона раз. Такое увеличение контраста вызвано условиями освещенности сложной поверхности от единственного источника света – Солнца. Освещенность объектов в тени может уменьшаться до 100 люкс и менее, при освещенности светлых поверхностей под прямым солнцем более 100000 люкс. Освещенность бликов от блестящих поверхностей и воды может доходить до 10 ⁶ люкс, а эквивалентная освещенность диска Солнца по некоторым оценкам достигает 10⁸ люкс, то есть 100 миллионов люкс. Ни одна телевизионная камера не в состоянии наблюдать одновременно (в одном поле зрения) объекты, отличающиеся по освещенности в десятки и сотни тысяч раз. В таких ситуациях неизбежны потери видеоинформации на некоторых участках изображения. Задача проектировщика состоит в сведении к минимуму потерь, возникающих при работе телевизионной системы в условиях световых перегрузок.

Отличия естественного и телевизионного наблюдений

Диапазон воспринимаемых глазом освещенностей приближается к миллиарду. Однако, днем мы не видим звезд на небе, хотя абсолютный контраст небо – звезды не более десяти тысяч. Дело в том, что контрастная чувствительность человеческого глаза всего 2%, поэтому различимый абсолютный контраст не превосходит 50. Отдельные участки миллиардного диапазона глаз может рассматривать только по очереди, адаптируясь к каждому участку освещенности. Наблюдая за местностью, человек по очереди переводит взгляд с одного объекта на другой. Если объект яркий, то человек прищуривается. Присматриваясь к объекту в тени, наблюдатель защищает глаза от слепящего Солнца ладонью. Наблюдение большого диапазона освещенностей человеческим глазом возможно только путем перевода взгляда с темных на яркие объекты и обратно.

Камера прибора наблюдения, обычно, закреплена неподвижно. Поэтому, в ее поле зрения объекты с большим абсолютным контрастом могут попадать одновременно. Оператор телевизионной системы наблюдает изображение на видеомониторе небольших размеров. В результате, система "камера – монитор – глаз" не обладает преимуществами, возникающими при естественном наблюдении за счет перевода взгляда и поочередного рассматривания ярких и темных объектов. Далее мы будем обсуждать возможность телевизионного наблюдения объектов с различной освещенностью одновременно, то есть "в одном телевизионном поле". В этом случае неизбежна потеря видеоинформации на ярких и темных участках сцены. Дополнительное сужение наблюдаемого контраста происходит из-за недостаточной яркости экрана монитора и искусственного освещения внутри помещения. Эквивалентная освещенность экрана монитора менее 500 люкс, что ухудшает контрастную чувствительность глаза, максимальную только в области нескольких тысяч люкс. При наблюдении изображений на цветных, и тем более компьютерных видеомониторах (эквивалентная освещенность экрана последних менее 100 люкс) диапазон наблюдаемых освещенностей глазом уменьшается еще больше. Поэтому, при телевизионном наблюдении освещенных Солнцем территорий и объектов, необходимо использовать мониторы с максимальной яркостью свечения экрана. Высококонтрастный монитор с большим размером экрана расширит диапазон наблюдаемых освещенностей и уменьшит вероятность потери части изображения при сложных условиях освещения.

Световое изображение проецируется объективом на фоточувствительные элементы матрицы CCD. Динамический диапазон элементов определяет диапазон рабочих освещенностей телевизионной камеры в одном поле. Фотоны света, преобразуются в фотоэлектроны, попадая в фоточувствительные ячейки, поэтому при расчете сигнальных и шумовых характеристик удобно использовать единицу измерения заряда – электрон.

Зависимость максимального контраста от площади фоточувствительного элемента

Максимальный контраст определяется отношением максимального и минимального различаемых уровней заряда в элементах. Максимальный уровень заряда называется управляющей способностью CCD, которая пропорциональна геометрической площади и глубине потенциальной ямы элемента. В матрицах CCD зарядовые пакеты, перемещаясь к выходному устройству, проходят несколько секций переноса заряда. Наименьшими потенциальными ямами обладают элементы секций накопления и хранения, которые в первую очередь ограничивают уровень заряда. В современных матрицах CCD форматами 1/6 – 1/2 дюйма с объемным каналом переноса заряда управляющая способность элемента находится в пределах от 12000 до 300000 электронов. Минимальное количество электронов, определяется среднеквадратическим значением шума считывания матрицы CCD и составляет 20 – 40 электронов в зависимости от емкости затвора первого транзистора выходного устройства. Следовательно, динамический диапазон современных CCD камер находится в пределах от 600 до 7500. Чтобы получить значения максимальных контрастов, следует разделить эти значения на 10, так как, только начиная с такого отношения сигнал/шум можно различать объекты на изображении. Подставляя из справочных данных площадь фоточувствительных элементов, можно найти максимальный контраст для матриц CCD разных форматов и разрешения.

Ограничение контраста в режиме электронного затвора. "Смаз" и растекание зарядового изображения в матрице CCD

При использовании объективов с постоянной диафрагмой, для адаптации камеры к уровню освещенности используют режим электронного затвора (electronic shutter). В этом режиме при увеличении освещенности автоматически уменьшается время накопления заряда в матрице CCD, а значит и чувствительность. Современные камеры обеспечивают минимальное время экспозиции от 1/10000 до 1/100000 секунды. Но даже последнего значения недостаточно для надежного наблюдения объектов, освещенных солнечным светом. При установке в камеру стандартного малогабаритного объектива с резьбой М12 и относительным отверстием F 1,8, при экспозиции 1/100000 матрица CCD перестает видеть при освещенности на объекте более 30000 люкс, что недостаточно для наблюдения при солнечном освещении. При наблюдении будут потеряны изображения белых стен зданий, снега, облаков, и тем более, блестящих на Солнце объектов. Казалось бы, можно уменьшить время накопления до одной миллионной секунды и менее, что схемотехнически не сложно. Но уменьшению времени накопления в стандартных матрицах CCD препятствует "смаз" изображения. На параметр "Smear" равный 0,005% для стандартных матриц CCD обычно не обращают внимания, как на малозначительный. Однако, столь малая величина "смаза" получается только при полном времени накопления равном 20 миллисекунд. При экспозиции 1/100000 секунды сигнал "смаза" возрастает в 2000 раз и становится равным 10%, что проявляется в виде хорошо заметных "белых полос" сверху и снизу ярких объектов на изображении. Если же, освещенность объекта выше максимальной освещенности более чем в 10 раз (нить накаливания лампы, Солнце), то величина "смаза" превышает 100% и возникает эффект "растекания заряда по поверхности матрицы CCD" – блюминга (Blooming). В 1999 году фирма SONY освоила в производстве новое поколение матриц CCD под торговой маркой EXWAVEHAD.

Рис. 15.2 Иллюстрация "смаза" изображения и эффекта растекания заряда при наблюдении нити накаливания в камере на матрицах CCD фирмы SONY.

а) стандартная матрица CCD ICX055BL б) EXWAVEHAD матрица CCD ICX255AL

В рекламе на эти камеры максимальное внимание обращалось на улучшенную чувствительность матриц CCD серии EXWAVEHAD. Но не было отмечено другое преимущество новых матриц – в 30 раз меньший уровень "смаза" при наблюдении ярких объектов.

Значительно меньшая величина смаза от ярких объектов улучшает качество изображения в камерах на новых матрицах SONY при работе днем в условиях световых перегрузок. Однако, нужно отметить, что в большинстве новых камер не реализованы все преимущества матриц серии EXWAVEHAD. Это объясняется тем, что другие комплектующие изделия камер (синхрогенераторы, драйверы, усилители) рассчитаны на работу в стандартных режимах, соответствующих обычным матрицам CCD.

Рис. 15.3. Зависимость интегрального сигнала "смаза" изображения для камер на стандартной матрице CCD ICX055BL и EXWAVEHAD CCD типа ICX255AL от времени накопления при частоте полей 50 Гц.
Из рисунка видно, что в EXWAVEHAD CCD можно на порядок уменьшить минимальное время экспозиции в режиме электронного затвора, по сравнению со стандартными CCD, что позволит расширить диапазон рабочих освещенностей в камере с объективом с постоянной диафрагмой до 100000 люкс. Этого значения достаточно для надежного наблюдения объектов при солнечном освещении.

Влияние режима матрицы CCD на устойчивость к световым перегрузкам

Качество работы камеры при сильных световых перегрузках (Солнце или прожектор в поле зрения) зависит не только от размера фоточувствительной ячейки (формата и числа элементов матрицы CCD) и типа объектива. В значительной степени, способность выдерживать перегрузки определяется методикой настройки и схемой телевизионной камеры. Многие производители камер в погоне за низкой себестоимостью упрощают схемы, исключая подстроечные элементы. В результате, из-за разброса параметров матриц CCD, камеры одной и той же модели значительно отличаются друг от друга по перегрузочной способности.

Рис. 15. 4. Иллюстрация уменьшения перегрузочной способности камеры на матрице CCD при неправильно установленных режимах Xsub и RZ
Помимо оптимальной настройки режимов, заметное влияние на качество наблюдения при ярком свете оказывает схема управления матрицей CCD. При перегрузке в несколько раз возрастает ток по цепям вторичного питания, поэтому от их мощности и стабильности зависит точность поддержания режима, а следовательно и степень проявления эффекта растекания заряда. Следует отметить, что, как правило, режимы, обеспечивающие оптимальность наблюдения ночью и днем различны. В результате разработчики камер выбирают компромиссный режим, что приводит к дополнительным потерям изображения при перегрузках. Например, для улучшения точности схемы привязки уровня "черного" при малой освещенности, в камерах на матрицах SONY, Samsung, SHARP фиксация уровня выполняется как по передним, так и по задним холостым элементам CCD. При световых перегрузках, растекающийся заряд попадает в "задние холостые элементы", что приводит к искажению работы схемы фиксации, вплоть до полной потери изображения, в случаях, когда изображение яркого объекта проецируется на правый край матрицы CCD.

Рис. 15.5. Уменьшение площади растекающегося заряда в камере VBP-551 с адаптивным режимом CCD – а), по сравнению со стандартной камерой WAT-902H –б). В камерах был установлен один и тот же объектив c постоянной диафрагмой F(1,8). Эквивалентная освещенность спирали лампы накаливания мощностью 75 Вт около 10⁶ люкс
Для расширения диапазона рабочих освещенностей камер, нужно изменять режим работы матрицы CCD днем и ночью. Максимальный выигрыш от переключения режимов матрицы CCD в ночных и дневных условиях, достигается в камерах на матрицах CCD серии EXWAVEHAD. Например, в камере VBP-551 производства российской фирмы ЭВС при использовании объективов с постоянной диафрагмой обеспечивается наблюдение объектов с освещенностью 100000 люкс и устойчивость при световых перегрузках. Такие характеристики обеспечиваются минимальным временем экспозиции в режиме электронного затвора 1/1000000 секунды и адаптивным переключением режимов CCD день – ночь.

Ограничение контраста в объективах. Рассеяние света в линзах, блики и искажения.

Важнейшим элементом телевизионной камеры, определяющим качество изображения при ярком солнечном свете, является объектив. Различия в качестве объективов, даже в рамках одного класса очень велико. Следует отметить, что для эффективной работы днем в условиях световых перегрузок, важными становятся некоторые параметры, не регламентированные в паспортных данных на большинство имеющихся на рынке объективов.

Минимальное относительное отверстие диафрагмы объектива обычно указывается в паспортных данных и находится в пределах Fмин.= (32.....360). Диапазон регулирования освещенности с помощью диафрагмы равен квадрату отношения минимального и максимального относительных отверстий. Для стандартных объективов при полностью открытой диафрагме обычно Fмакс.=1,2. Учитывая, что максимальная рабочая освещенность, пересчитанная на объект при времени накопления 20 мс (выключенный режим электронного затвора), составляет примерно 20 люкс, можно определить максимальную допустимую освещенность, обеспечиваемую данным объективом.

Диапазон регулирования освещенности и максимальная наблюдаемая освещенность на объекте в зависимости от минимального относительного отверстия АРД объектива.

Минимальное относительное отверстие	32	64	128	360
Диапазон регулирования освещенности	700	2800	11000	90000
Максимальная освещенность на объекте лк.	14000	50000	200000	1000000
Применение при солнечном свете	Нет	Нет	Да	Да

Из таблицы видно, что простые АРД объективы с минимальными относительными отверстиями F(32) и F(64) непригодны для использования при ярком солнечном свете. Нужно отметить, что для надежной работы камеры в условиях световых перегрузок необходим не только широкий диапазон регулирования освещенности в объективе, но и линейность регулирования, особенно на конечном участке, когда диафрагма объектива почти закрыта. При недостаточной линейности возможно самовозбуждение (мигание изображения) в системе камера – объектив при максимальных уровнях освещенности. К сожалению, регулировочная характеристика, как правило, не приводится в паспортных данных на объективы. Лучшими по линейности являются широкодиапазонные объективы с миниатюрными пленочными светофильтрами, установленными на участки диафрагмы объектива.

Блики и искажения, обусловленные диафрагмой объектива.

При неудачной конструкции объектива, из-за отражения света от его внутренних поверхностей и, в первую очередь от диафрагмы, образуются блики. Как правило, максимальный уровень бликов имеют объективы с минимальным диапазоном регулирования диафрагмы.

Рис. 15.6. Наблюдение яркого источника света через объектив с сильными бликами.
При определенных углах между осью объектива и осью, направленной на яркий объект уровень бликов может стать недопустимым и приводит к частичной потере изображения при попадании яркого источника в поле зрения телевизионной камеры. К сожалению, никаких параметров, касающихся бликов объективов в паспортных данных не приводится, поэтому, приходится вести самостоятельный статистический отбор объективов, имеющих минимальные блики.

Рассеяние и переотражения света в линзах и внутри объектива.

Дополнительное ограничение на возможность наблюдения максимального контраста в одном поле накладывает рассеяние света в линзах и переотражение света от стенок и других внутренних элементов объектива. Ухудшает ситуацию и то, что современные матрицы CCD чувствительны в ближнем ИК диапазоне. Поэтому черные и матовые на первый взгляд внутренние поверхности объектива могут оказаться "белыми" в инфракрасной области спектра и усилить вредный эффект. Рассеяние света в линзах и переотражения света внутри объектива проявляются как дополнительная, ровная подсветка, уменьшающая контраст изображения. На первый взгляд, это может показаться полезным, как естественный способ уменьшения контраста. На самом деле рассеяние света приводит к двум отрицательным моментам:

Возрастает шум в темных участках изображения, так как к шуму считывания выходного устройства добавляется значительно больший по величине фотонный шум паразитной подсветки, при этом безвозвратно теряются темные детали изображения.
Происходит заметное "расширение" границ ярких объектов, при этом расширенные границы маскируют и не позволяют наблюдать близлежащие темные объекты.

Рис. 15. 7. Иллюстрация расширения границ яркого объекта в объективах со значительным светорассеянием.

К сожалению, характеристики светорассеяния также не приводятся в паспортных данных на объективы, поэтому, также необходимо вести статистический учет по этому параметру самостоятельно. Нужно отметить, что светорассеяние в объективах с пластмассовыми линзами заметно больше, чем в стеклянных. Поэтому, для камер, работающих в условиях яркого солнечного света, целесообразно использовать объективы только со стеклянными линзами. Меньшее светорассеяние оказывается и в объективах с линзами, на которых нанесены специальные интерференционные пленки, ослабляющие инфракрасную составляющую спектра. Однако, использовании таких объективов не всегда допустимо, так как с ними в 2 -3 раза ухудшается чувствительность черно-белых камер ночью.

Гамма коррекция.

Гамма коррекция является обязательным элементом любой телевизионной камеры. С помощью этого вида нелинейной обработки сигнала происходит согласование логарифмического закона восприятия освещенностей человеческим глазом с линейной зависимостью свет-сигнальных характеристик камеры и видеомонитора. Упрощенно говоря, гамма коррекция состоит в дополнительном усилении слабых уровней сигнала. В камерах используют различные степени гамма коррекции от 0,7 до 0,45.

Рис. 15.8. Амплитудные характеристики узла гамма коррекции в микросхеме CXA1310AQ (SONY), которая применяется во многих современных черно-белых телевизионных камерах.
При работе камеры в условиях солнечного света, целесообразно устанавливать меньшее из возможных значений гамма коррекции – 0,45, что позволит несколько расширить диапазон наблюдаемых освещенностей сверху. Режим гамма коррекции, создает комфортное, "правильное" визуальное соотношение освещенностей, и сдвигает вверх нижний уровень наблюдаемых освещенностей. Но указанное преимущество достигается ценой следующих недостатков:

В несколько раз увеличивается шум на темных участках изображения.
ухудшается различимость объектов в средней и верхней областях диапазона освещенностей.

Поэтому, при включенной гамма коррекции, несмотря на расширение, визуально наблюдаемого диапазона освещенностей, становится большей вероятность пропуска появившегося в поле зрения малоконтрастного объекта со средней освещенностью.

Режим наблюдения против света "Back Light Compensation".

Появившийся несколько лет назад и активно рекламируемый режим "BLC" предназначен для наблюдения объектов в сложных условиях – против света. Схемотехнически он обычно выполняется в виде переключения порогов срабатывания электронного затвора (или опорного уровня в АРД объективе) и системы АРУ так, что они становятся на 10 – 20% выше обычного. В результате, самые яркие объекты (например, светлое окно) "зарезаются в белом", а объекты среднего уровня (лицо человека, стоящего перед окном) усиливаются и становятся хорошо видимыми. Таким образом, режим "Back light compensation" не расширяет динамический диапазон, а сдвигает его с целью лучшего наблюдения более темных объектов, ценой потери ярких объектов. Существуют модификации режима в виде дополнительного переключения "окон", в которых срабатывают схемы автоматического регулирования (камеры фирм Watec, Sony, Panasonic и др.). Есть вариант реализации режима BLC с преобразованием верхних уровней сигнала в "негативное изображение" (камеры фирмы JAI).

Режим "BLC" полезен в ряде случаев телевизионного наблюдения, но к сожалению, его нельзя использовать в автоматическом виде, так как камера "не знает", когда оператора интересует объект перед ярко освещенной поверхностью, а когда важным является изображение самой этой поверхности. В настоящее время, появились дистанционно управляемые камеры, в которых режим "BLC" оператор может оперативно включить или выключить.

Цифровая обработка сигнала и камеры "Super dynamic".

Несомненно, будущее за цифровой обработкой сигнала в телевизионных камерах. Но есть серьезные препятствия, не позволяющие современным черно-белым камерам с цифровой обработкой сигнала стать бесспорными лидерами телевизионного рынка. В первую очередь это ограничение по стоимости, габаритам и энергопотреблению.

Если установить в камеру процессор уровня Pentium IV, 16-ти разрядные АЦП и ЦАП, ОЗУ большого объема и т.д., она станет недосягаемой для 99% применений.

Рис. 15. 9. Иллюстрация способа расширения динамического диапазона для камер серии "Super dynamic" –а), топология стандартной и "Super dynamic" матриц CCD – б) и механизм преобразования сигналов в DSP процессоре – в) из рекламного проспекта фирмы Panasonic.

Поэтому в камеры устанавливают упрощенные специализированные процессоры DSP и АЦП с небольшой разрядностью. Результатом является низкая эффективность цифровой обработки сигнала и отсутствие заметных преимуществ цифровых камер перед аналоговыми, за исключением сервисных. Низкое качество изображения камеры WV-BP-510 с цифровым процессором, детектором движения, режимом Sensitivity Enhancer. По качеству изображения в дневных условиях она значительно уступает предшествующей аналоговой модели WV-BP310 той же фирмы Panasonic. Причина – малое число уровней квантования в АЦП и ЦАП в этой камере, что визуально наблюдалось в виде грубого квантованного изображения с характерным "квадратно-гнездовым" шумом. Еще одним примером недостаточно высокой эффективности цифровой обработки сигнала является знаменитый комплект "Super dynamic"- матрица CCD и DSP процессор той же фирмы, использованный в камере WV-BP-554. Великолепная идея получения в одном поле двух сигналов, суммарный динамический диапазон которых в 40 раз превышает стандартный, понравилась даже неспециалистам. Только потом возникли вопросы: а как это получается, при 10-ти разрядных АЦП и ЦАПах? Не мешает ли обработке рассеяние света в объективах и т.д.? Кроме того, динамический диапазон каждого элемента матрицы "Super dynamic" должен быть, как минимум, в 2 раза меньше стандартного и соответствовать матрицам формата 1/5 дюйма. Последнее обусловлено тем, что сигналы двух полей одновременно хранятся в одной матрице CCD формата 1/3 дюйма (Рис. 15. 9 б). После испытания знаменитой камеры оказалось, что только путем длительной настройки удается получить динамический диапазон такой же, как у обычных третьдюймовых камер. Камеры на матрицах 1/2 дюйма однозначно превосходили "Super dynamic" по всем параметрам, несмотря на заложенную интересную идею и все хитросплетения цифровых методов обработки. Жаль, а так хотелось чуда... Вспоминается старая шутка, которую любили мастера лампового телевидения 60 –х годов: "Гамма коррекция хороша тем, что ее можно выключить". К сожалению, это изречение вполне актуально и для режимов BLC и Super Dynamic.

Установка камеры и выбор угла поля зрения.

Важно не только правильно выбрать камеру и объектив, но и наилучшим образом ее установить. Перечислим практические правила, обеспечивающие лучшую защиту от световых перегрузок.

Угол поля зрения объектива по возможности следует выбирать минимальным.

На камеру нужно установить светозащитный козырек с темной матовой внутренней поверхностью. Его длина должна быть максимальной, такой, чтобы его верхний край был

чуть-чуть виден на изображении.
Камеру следует установить как можно выше, так, чтобы она смотрела сверху вниз, и площадь неба в поле зрения камеры была минимальной.
При очень узких углах поля зрения (менее 10 угловых градусов) непосредственно на объектив следует надевать светозащитную бленду с матовой темной внутренней поверхностью. Бленда заметно уменьшает рассеяние света в линзах узкоугольных объективов.
Если в поле зрения камеры есть небо, и в некоторые моменты времени может попадать Солнце, на верхнем краю защитного козырька целесообразно закреплять нейтральный светофильтр с ослаблением 5 –10 раз так, чтобы на изображении он перекрывал небо, или, как минимум, зону возможного прохождения Солнца.
В камерах на комплектах микросхем фирм SONY, Samsung, Sharp следует прикрывать непрозрачным материалом правый край изображения (место расположения задних холостых элементов CCD).
Перед установкой на объект камеру с установленным объективом следует проверить на устойчивость при наблюдении прямого Солнца, ярких облаков и нити лампы накаливания, наблюдаемой "в упор". В случае самовозбуждения системы объектив-камера следует увеличить порог срабатывания диафрагмы объектива, что позволит ценой некоторого ухудшения качества изображения гарантировать устойчивость ее работы.

Дистанционное управление телевизионными камерами.

Автоматические регулировки и режимы адаптации, заложенные в камерах, не всегда оптимально работают при наблюдении в условиях световых перегрузок. Поэтому, в настоящее время стали появляться камеры с дистанционно управляемыми параметрами. Наиболее распространены камеры с управлением по протоколу RS-485, широко используемому в компьютерных приложениях. Преимуществами этого варианта дистанционного управления являются:

Большая дальность управления, превышающая 1 км,
Низкая стоимость кабеля управления, возможность использования витой пары.
Возможность подключения к одному кабелю нескольких десятков камер без дополнительных расширителей.
Возможность управления системой телевизионных камер, как от специального пульта управления, так и от компьютера.
Единый стандарт протокола управления, обеспечивающий установку в одной системе камеры разных производителей.

В современных камерах с управлением по протоколу RS-485 заложены возможности регулировки большого числа параметров, а также режимы телеметрии, позволяющие дистанционно диагностировать камеру, определять окружающую температуру, напряжение питание на входе камеры и т.д. При наблюдении в условиях солнечного освещения наибольший эффект обеспечат дистанционные регулировки диафрагмы объектива и времени экспозиции, регулировка усиления, переключение режимов гамма коррекции и режимов наблюдения против света.

В приборов наблюдения появляется новая возможность программного управления параметрами камер в зависимости от времени дня и года. Оно позволит не только улучшить качество наблюдения, но и уменьшить возможные ошибки операторов в наиболее сложных условиях наблюдения. Другой полезной возможностью может стать программная самонастройка и самодиагностика системы с управляемыми камерами, которая может выполняться периодически по заданному алгоритму без требуемой ранее рутинной работы монтажников и операторов.

Режимы против света Super dynamic BLC, адаптивный режим, Super BLC эффективны и в ряде случаев обеспечивают хорошее качество.

Для обеспечения надежного телевизионного наблюдения в условиях солнечного освещения и световых перегрузок следует:

Использовать объективы с автоматической диафрагмой, выбирая модели с минимальным значением относительного отверстия не хуже F(360), с малым светорассеянием и бликами.
Применять камеры с матрицами CCD форматов не менее 1/2 - 1/3 дюйма серии EXWAVEHAD фирмы SONY, имеющие наименьший "смаз" изображения от ярких объектов. Учитывать, что матрицы стандартного разрешения в полтора раза превосходят матрицы высокого разрешения по максимальному наблюдаемому контрасту.
При необходимости установки объективов с постоянной диафрагмой, следует выбирать камеры с электронным затвором, реализующие минимальную экспозицию 1/1000000 секунды и имеющие систему автоматического переключения режимов CCD "ночь – день". Такие камеры обеспечат минимальные потери информации при наблюдении в условиях световых перегрузок.
Использовать светозащитные козырьки или бленды максимально возможной длины с темным матовым внутренним покрытием.
Камеры на местности устанавливать как можно выше, чтобы площадь неба в поле зрения камеры была минимальной.
В наиболее сложных условиях наблюдения целесообразно применение камер с дистанционно регулируемыми параметрами, которые позволят операторам быстро и оптимально подстраивать режимы камер к изменяющимся условиям наблюдения.
Для расширения визуально наблюдаемого диапазона освещенностей следует выбирать черно-белые видеомониторы больших размеров с максимальной яркостью свечения экрана.

На рисунке 15.10. приведена типовая схема системы скрытого наблюдения на основе двух камер.

Второй пример - нашлемный дисплей пилота вертолета (рис. 15.11) содержит несколько разнотипных систем наблюде6ния, как поставляющих информацию оператору, так и автономных (камеры наблюдения за положением головы оператора в системе позиционирования).

Рис. 15.10.. Система скрытого наблюдения

МОН – монитор; ВМ – видеомагнитофон; БУ – блок управления; БП – блок питания; МУ – маскирующее устройство; ИКП – блок инфракрасной подсветки; ТК1 – камера № 1 с объективом; ТК2 – камера № 2 с объективом; МЭ – маскирующие элементы

Пилот наблюдает за местностью, используя как изображение от комплексной оптико-электронной системы (ОЭС), так и от встроенных в дисплей очков ночного видения. При этом работает управляемый бортовым компьютером генератор символов, обозначающих необходимые пилотажные данные. Компьютер, на основе показаний бортовых датчиков и ОЭС, осуществляет внесение оперативных поправок в реальном масштабе времени в тоновую карту, формируемую цифровым методом, которая проецируется в дисплей вместе с пилотажной информацией. В нашлемном дисплее изображение от ОЭС, карта и пилотажная информация формируются в миниатюрных электронно-лучевых трубках и проецируются на смотровой щиток дисплея. На него же проецируется и изображение от очков ночного видения. Система датчиков на шлеме пилота сопряжена с устройствами позиционирования для обеспечения связи поворота головы пилота с положением управляемого оружия. Пилоту благодаря этому достаточно повернуть голову так, чтобы визирный знак дисплея совпал с изображением цели – и можно открывать огонь. Таким образом глаз “видит” как в видимой так и инфракрасной области спектра, как в широком угле поля зрения, так и в узком угле прицельных объективов.

Рис. 15.11. Схема нашлемного дисплея

где 1 – шлем, 2 – дисплей, 3 – приемо-передатчик, 4 – видеопроцессор, 6 – ОЭС, 7 – тепловизор, 8 – ТВ-система, 9 – лазерный целеуказатель-дальномер, 10 – следящий привод, 11 – линия визирования, 12 – датчики высоты, скорости полета, крена и пр., 13 – генератор символов, 14 – навигационная система, 15 – светодиод, 16 – система позиционирования, 17 – ТВ-камеры.

Рис. 15.12. Лазерный монокль - дисплей

Дисплей не блокирует поле зрения пользователя, а налагает на него или участок дополнительное, полученное с технических средств, монохроматическое или цветное изображение.

Более компактный вариант передачи информации оператору предложен научно-исследовательской лабораторией в университете Вашингтона и фирмой Microvision. В основе их приборов лежит лазерное проецирование изображений на дно глазного яблока (рис. 15.12).

В приборах наблюдения информация о свойствах объекта передается через изменение интенсивности электромагнитной волны, по сути именно этот параметр и вызывает электрический сигнал в фотоприемнике. Поэтому приборы наблюдения присутствуют не редко и в других типах приборов формирования изображений, но уже как вторичные.

16. Системы формирования изображений в промышленных технологиях и научных исследованиях
Начнем рассмотрение с группы современных автомобильных и промышленных датчиков, поделенных по признаку назначения на датчики близости/положения/скорости и расстояния, объединенных подобием конструктивных и технологических решений. Покажем ее на примере, ориентированных на североамериканский рынок датчиков линейного и углового положения, близости. Несмотря на их специфику, объемы поставок исчисляются в миллиардах долларов в год.

Рис.16.1. Разновидности датчиков

Датчики отличаются по их основному функциональному назначению и используемому методу детектирования. Внешне, конструктивно и технологически они часто схожи между собой.

Рис.16.2. Резьбовой тип датчиков

а) типичный фронтальный датчик близости/положения/расстояния: 1— бесконтактный встраиваемый датчик; 2— объект детектирования; d— фронтальное расстояние между объектом и датчиком; б) переключательная выходная характеристика датчика близости: dMIN — минимальное расстояние обнаружения объекта; V— напряжение на выходе устройства; в) аналоговая передаточная характеристика фронтального датчика близости/положения/расстояния.

Например, резьбовой аксиальный бесконтактный встраиваемый дизайн, выбранный для модели традиционного датчика (рис. 16.2), может скрывать в себе емкостное или индуктивное, интегральное магнитоуправляемое или оптическое, промышленное или автомобильное устройство—детектор близости или датчик уровня, датчик частоты вращения или толщины.

Датчики с аналоговой линейной, пропорциональной положению, передаточной характеристикой (рис. 16.2 в) имеют также достаточно широкое распространение.

По типу передаточной характеристики различают:

- аналоговые абсолютные датчики (выход — постоянное напряжение, пропорциональное абсолютному положению), ШИМ - (выход — рабочий цикл), абсолютные энкодеры (выход —цифровой код, пропорциональный положению);

- датчики относительного положения — сенсорные устройства, в режиме реального времени передающие электрическую информацию о механическом положении относительно некоторой инкрементальной отметки, возможно, поставляемой внешним устройством (инкрементальные энкодеры).

Внешнее сходство, конструктивная общность удобство применения объединяет их. Отличия присутствуют в физических принципах, методах детектирования, функциональных и принципиальных электрических схемах датчиков. Но для отдельно взятой технологии характерна тенденция повышения функциональности, что стирает границы между различными типами датчиков. Ниже приведена таблица, показывающая напряженность конкуренции в данной области техники.

Распределение датчиков близости/линейного и углового положения/расстояния и других по технологиям

Датчики	близости	линейного положения	углового положения	скорости	Угловые энкодеры	Линейные энкодеры	расстояния	толщины	уровня	3D
Интегральные магнитоуправляемые (Холла, Гаусса, АМР, ГМР)	+	+	+	+	!	!	!	!	+	+
Индуктивные датчики (резольверы, синхросы, индуктосины, LVDT/RVDT, ВЧ вихревые, планарные ВЧ)	+	+	+	+	!	!	!	+	!	—
Емкостные	+	+	+	!	!	!	—	!	+	!
Ультразвуковые	+	!	—	—	—	—	+	!	+	—
Микроволновые (радарные) ВЧ датчики	!	+	!	+	—	—	+	!	!	—
Фотоэлектрические и оптические датчики	+	!	!	+	+	!	!	!	+	!
Лазерные и активные ИК датчики, 3D камеры	!	!	—	!	—	!	+	!	!	!

В таблице отмечены значками: + - удовлетворительные результаты; ! - хорошие результаты; — -отсутствуют решения, удовлетворяющие требованиям многих применений.

Технология эффекта Холла доминирует в области энкодеров неслучайно: любой датчик Холла положения/скорости/направления допускает подключение функциональности датчика близости, расстояния и наклона, так как первичные элементы реагируют на появление объекта/напряженность поля заданной величины, и выходной сигнал первичного преобразователя пропорционален магнитному полю или расстоянию до объекта. Однако и в этом направлении ведутся непрерывные работы в других технологиях.

Рис 16. 3. DL100-7PCBA Позиционно чувствительный чип

Как пример: Pacific Silicon Sensor Inc. представляет аналоговый датчик положения DL100-7PCBA с разрешением. 0.25 umeters(мм) и линейностью ±1% полной шкалы.(~12 мм).

Микроскопы. Очень широкая гамма приборов, используемая в промышленности, научных исследованиях. Остановимся на наиболее оригинальных из них. Их не «компьютерное» обрамление, не должно вызывать недоуменнее, – это исходные варианты.

Темнопольная микроскопия позволяет наблюдать живые бактерии. Для темнопольной микроскопии используют темнопольный конденсор, выделяющий контрастирующие структуры неокрашенного материала. Перед началом работы свет устанавливают и центрируют по светлому полю, затем светлопольный конденсор удаляют и заменяют соответствующей системой (например, ОИ-10 или ОИ-21). Препарат готовят по методу «раздавленной капли», делая его как можно более тонким (толщина покровного стекла не должна быть толще 1 мм). Наблюдаемый объект выглядит как освещенный на тёмном поле. При этом лучи от осветителя падают на объект сбоку, а в линзы микроскопа поступают только рассеянные лучи (рис. 16.4). В качестве иммерсионной жидкости пригодно вазелиновое масло.

Фазово-контрастная микроскопия позволяет изучать живые и неокрашенные объекты за счёт повышения их контрастности. При прохождении света через окрашеные объекты происходит изменение амплитуды световой волны, а при прохождении через неокрашенные — фазы световой волны, что используют для получения высококонтрастного изображения в фазово-контрастной (рис. 16.5) и интерференционной микроскопии. Для повышения контрастности фазовые кольца покрывают металлом, поглощающим прямой свет, не влияя на сдвиг фазы. В оптической системе микроскопа применяют специальный конденсор с револьвером диафрагм и центрирующим устройством; объективы заменяют на иммерсионные объективы-апохроматы.

Рис. 16.4. Схема светового микроскопа с темпопольным конденсором

Рис. 16.5. Схема фазово-контрастного микроскопа
Поляризационная микроскопия позволяет получать изображения неокрашенных анизотропных структур (например, коллагеновых волокон, миофибрилл или клеток микроорганизмов). Принцип метода основан на изучении объекта в свете, образованном двумя лучами, поляризованными во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Рис. 16.6. Люминесцентный микроскоп
Метод люминесцентной микроскопии основан на способности некоторых веществ светиться при воздействии коротковолнового излучения. При этом испускаемые световые волны длиннее волны, вызывающей свечение. Иными словами, флюоресцирующие объекты поглощают свет одной длины волны и излучают в другой области спектра (рис. 16-6). Эти вещества (флюоресцеин изоцианат, акридиновый оранжевый, родамин и др.) используют как флюоресцирующие красители для наблюдения флюоресцирующих (люминес-цирующих) объектов.

В люминесцентном микроскопе свет от источника (ртутная лампа сверхвысокого давления) проходит через два фильтра. Первый (синий) фильтр задерживает свет перед образцом и пропускает свет длины волны, возбуждающей флюоресценцию образца. Второй (жёлтый) задерживает синий свет, но пропускает жёлтый, красный, зелёный свет, излучаемый флюоресцирующим объектом и воспринимаемый глазом. Обычно исследуемые микроорганизмы окрашивают непосредственно либо с помощью AT или лектинов, помеченных флюоро-хромами. Препараты взаимодействуют с Аг или другими связывающими лиганд структурами объекта. Люминесцентная микроскопия нашла широкое применение для визуализации результатов иммунохимических реакций, основанных на специфическом взаимодействии меченных флюоресцирующими красителями AT с Аг изучаемого объекта (рис. 16.7).

Интерференционная микроскопия объединяет принципы фазово-контрастной и поляризационной микроскопии. Метод применяют для получения контрастного трёхмерного изображения неокрашенных объектов. Принцип метода основан на раздвоении светового потока в микроскопе; один луч проходит через объект, другой — мимо него. Оба луча соединяются в окуляре и интерферируют между собой.

Рис. 16.7. Люминесцентном микроскопе с двумя фильтрами
Сложные 3D системы. Считывание положения маски относительно экрана с использованием лазерных излучателей и CCD-фотоприемников – типичный пример триангуляционной задачи, решаемой сложной системой.

В процессе сборки монитора маску и экран необходимо расположить на расстояниях с точностью 100 мкм в совокупности точек(5…100), обеспечивая цветосведение электронных лучей.

Рис.16.8. Схема установка датчиков в одной точке

Лазерный измеритель положения маски максимально ориентирован на формирование оптимальных зондов для маски.
Светодиодный измеритель положения экрана выполнен на длине волны отличной от лазерного измерителя и развернут в пространстве на 90 градусов.
Светодиодный измеритель выполнен смещаемым для подстройки координат измерения положения экрана.

Лазерный измеритель выполнен с двумя лазерами. Схема измерителя, приведенная на рис.16. 9. Стекло экрана контролируется двумя датчиками.

Рис.16.9. Упрощенная схема прохождения лучей в лазерном измерителе (перевернуто на 90 градусов)

На рис.16.9 показаны: 1i, 2i, 3i – входящие зондирующие лучи; 1q1, 1q2, 1q3 – отражения от передней поверхности экрана, 2q1, 2q2, 2q3 – отражения от рабочей поверхности экрана; 3q1, 3q2, 3q3 – отражения от маски; 1qr1, … 3qr3 – изображения на CCD-фотоприемнике соответствующих точек отражения.Из рисунка следует и то, что кроме рабочих точек 3q1r, 3q2r, 3q3r (положение маски) могут считываться и дополнительные точки – 2q1r, 2q2r, 2q3r (положение рабочей поверхности экрана по линии зондирования) и – 1q1r, 1q2r, 1q3r (положение передней поверхности экрана). По полученным данным можно рассчитать толщину стекла в направлении лучей зондирования, расстояние маска – экран в направлении лучей зондирования. В схеме используется три зонда, что позволяет оценить и углы наклона контролируемых участков поверхностей. Все перечисленные данные позволяют повысить достоверность и точность измерений путем корректировки систематических погрешностей и усреднения результатов расчетов.

ЛИТЕРАТУРА

Системы технического зрения (принципиальные основы, аппаратное и математическое обеспечение). / А.Н. Писаревский, А.Ф. Чернявский, Г.К. Афанасьев и др. – Л:. Машиностроение 1987
Москалев В.А. Теоретические основы оптико-физических исследований Уч.пособие. Л. Машиностроение 1987
Мосягин Г.М. Теория оптико-электронных систем Учебник. М. Машиностроение 1990
Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. Учебник. Л. Машиностроение 1989
Абламейко С.В., Лагуновский Д.М. Обработка изображений: технология, методы, применение. Учебное пособие. –Мн.: Амалфея, 1999.
Нильсон Н. Принципы искусственного интеллекта. М., 1985. 376 с.
Порфирьев Л.Ф. "Основы теории преобразования сигналов в опто-электронных системах", Л.: Машиностроение, 1989г.
Физика визуализации изображений в медицине: В 2-х томах. Т1-С.Уэбби.- Мир 1991 408 с.
Лебедева В.В. Техника оптической микроскопии. М. МГУ. 1986. 352 с.
Скоков А.В. Оптические спектральные приборы. М. Машиностроение 1984
Гинзбург В. М. Формирование и обработка изображений в реальном времени: Методы быстрого сканирования. М., 1986. – 232 с.
Источники и приемники излучения: Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов/Г. Г. Ишанин, Э. Д. Панков, А. Л. Андреев, Г. В. Польщиков. ─ СПб.: Политехника, 1991. ─ 240 с.: ил.
Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений. М., 1997. 212 с.
Быков Р. Е., Гуревич С. Б. Анализ и обработка цветных и объемных изображений. М., 1984. 296 с.
Джад, Вышецки. Цвет в науке и технике. Л., Энергоиздат,1990 г.
В. В. Старовойтов, М. А. Талеб. Методы сегментации цветных изображений. Минск, 1999.
Ж. Госсорг. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. /Пер. с франц. – М.: Мир 1988
Шестаков К.М. Теория принятия решений и распознавание образов: Курс лекций / – Мн.: БГУ 2005.
Шестаков К.М., Бобко Ю.К. Лабораторный практикум по курсу “Промышленная электроника” / – Мн.: БГУ, 1999.
Шестаков К.М. Лабораторный практикум по специальному курсу “Теория принятия решений и распознавание образов”/ – Мн.: БГУ, 2002.
Игнатов А.М. Классическая электроника и наноэлектроника: Учеб. Пособие. – М.:
Точицкий И.Я. Оптические технологии микро – и наноэлектроники: учеб. метод. пособие РИВШ, 2010 – 300 с.
Чехович Е.К. Оптико-электронные методы автоматизированного контроля топологии изделий микроэлектроники. – Мн.: Наука и техника 1988
Лопухин В.А., Гурылев А.С. Автоматизация визуального технологического контроля в электронном приборостроении. – Л.: Машиностроение. 1987
Д. А. Денисов. Компьютерные методы анализа видеоинформации. 1993.
Телевидение: Учеб. Пособие для вузов /Р.Е. Быков, В.М. Сигалов, Г.А. Эйсенгардт; Под ред. Р.Е. Быкова – М.: Высш. Шк., 1988. – 248 с.: ил.
Катыс Г.П. Обработка визуальной информации. М.: Машиностроение, 1990.  320 с.
Гризин Г.Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства: Системы телевидения.  Л.: Машиностроение. 1988.  С. 165.
Макаров А.С., Омелаев А.И., Филиппов В.Л. Введение в технику разработки и оценки сканирующих тепловизионных систем. Казань: Унипресс, 1998, 320 с.
Ковтонюк Н.Ф., Сальников Е.Н. Фоточувствительные МДП– приборы для преобразования изображений. – М.: Радио и Связь. 1990
Никулин О.Ю., Петрушин А.Н. Системы телевизионного наблюдения. М.: ОБЕРЕГ-РБ, 1997, 168 с.
Алешин Б.С., Бондаренко А.В., Волков В.Г., Драб Э.С., Цибулькин Л.М. Оптические приборы наблюдения, обработки и распознавания образов в сложных условиях. Л.: ГНИИАС, 1999
Алефиренко В. М., Достанко А. П., Жук Ю. К., Каськова Е. В. Системы технического зрения и их применение для контроля качества продукции. – Мн.: БелНИИНТИ, 1990. – 32 с.
Орлов В.А., Петров В.И. Приборы наблюдения ночью и при ограниченной видимости.  М.: Воениздат, 1989.  254с.: ил.
Вертопрахов В.В., Крикливый В.В. Метод многоточечного структурного освещения для трехмерных измерений // 4-я Всероссийская конференция с международным участием “Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии ”, часть 2.- Новосибирск, 1998. – С. 9-13.
Саликов В.П. Эпоха ночной войны // Специальная техника, 2000, № 5, с. 21 – 32.
Томилин М.Г. Нашлемные дисплеи. Оптический журнал, 1999, т. 66, № 6, с. 81 – 87.
Тычинский В. П. Компьютерный фазовый микроскоп. – М.: Знание, 1989.-64 с.
Вальков В. М. Машинное зрение в технологических процессах // Электронная промышленность, 1993, № 4, С. 68-72.
Ц. Фаншэн, А. Хартман, Д. Хокен. Бесконтактный оптический зонд // Приборы для научных исследований, 1987, № 5, С. 144-147.
Theoretical Analysis and Optimization of CDS Signal Processing Method for CCD Image Sensors, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 39, No. 11, November 1992, both by Dr. Jerry Hynecek.
Неизвестный С. И., Никулин О. Ю. Приборы с зарядовой связью. устройство и основные принципы работы. Специальная техника 1999 г. №4
Неизвестный С. И., Никулин О. Ю. Приборы с зарядовой связью - основа современной телевизионной техники. Основные характеристики CCD. Специальная техника 1999 г. №6
Рекламные каталоги фирм SONY, PANASONIC, WATEC, TURN, IKEGAMI, PHILIPS, JAI, LILIN, ЭВС за 1999 и 2000 г.
Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда/ Пер. с англ. Под ред. В.В. Поспелова, Р.А. Суриса. - М., Мир, 1978 - 327 с.
Арсентьев М.Ю. Скрытое охранное телевизионное наблюдение // Специальная техника, 2001, № 3
Волков В.Г. Вертолетные оптико-электронные системы наблюдения и разведки // Специальная техника, 2001, № 3
Куликов А. Н. Телевизионное наблюдение при ярком солнечном свете. Специальная техника 2001 г. №6
Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда/ Пер. с англ. Под ред. В.В. Поспелова, Р.А. Суриса. – М.: Мир. 1978. – 327 с.

СОДЕРЖАНИЕ

	Введение	3
1.	Основные задачи, решаемые в оптическом диапазоне длин волн	4
2.	Системный подход в описании систем восприятия изображений	11
3.	Восприятие цветных изображений	20
4.	Считывание температурных полей	40
5.	Спектральные системы	44
6.	Интерферометрические, автоколлимационные системы	47
7.	3D системы формирования изображений	62
8.	Формирование изображений в акустике, магнитных полях	96
9.	Многоэлементные фотоприемники, сканирующие системы	101
10.	Расчет энергетических характеристик сигналов	122
11.	Помехи в системах формирования изображений	139
12.	Информационные потоки в системах формирования изображений	141
13.	Частотно-контрастные характеристики объектов и систем. Качество изображения, функция рассеивания точки	142
14.	Зрение человека и животных	152
15.	Приборы наблюдения	157
16.	Системы формирования изображений в промышленных технологиях и научных исследованиях	174
	Литература	181

Электронная версия. Учебное издание

Шестаков Константин Михайлович
КУРС ЛЕКЦИЙ

по специальному курсу

«Физические основы формирования изображений»

Учебное пособие для студентов

факультета радиофизики и компьютерных технологий

Ответственный за выпуск К. М. Шестаков

Редактор _________________

Корректор ___________________

Подписано в печать_______. Формат _60×84/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Усл. печ. л._____. Уч. – изд. л. ______. Тираж 100 экз. Зак. 486.

Белорусский государственный университет.

Лицензия ЛВ № 315 от 14.07.98.

220050, Минск, пр.Независимости, 4.
Отпечатано в Издательском центре БГУ.

220030, Минск, ул. Красноармейская, 6.

<< предыдущая страница