Измеритель площади оптического изображения

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

is«s 6 01 В 21/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21} 4763942/28 (22} 04.12.89 (46) 07.03.92. Бюл. М 9 (71) Воронежский государственный университет им. Ленинского комсомола (72) АЯ.Трифонов, Е.П,Нечаев и Т.M.0â÷èíникова (53) 531.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1161822, кл. 6.01 В 11/28, t985.

Авторское свидетельство СССР

hh 1013755, кл. 6 01 В 11/28, 1983, Авторское свидетельство СССР

М 1654654, кл. 6 01 В 21/28, 1989, (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЛОЩАДИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерител-ьной технике, в частности к обработке оптических изображений. Цель изобретения— повышение точности измерения площади и интенсивности полезного изображения при неизвестной интенсивности фона, а также

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

Известно устройство, предназначенное для измерения площади, в котором измерение площади осуществляется путем подсчв;- . та количества световодов, перекрытых исследуемым объектом, „.,5U, 1717962 А1 расширение функциональных возможностей эа счет одновременного измерения интенсивности мешающего фона-.-устройство, содержащее блок изменения масштаба измеряемого изображения, маску с отверстием, имеющим форму измеряемого изо-. бражения, фотоприемник,. указатель зкстремума, генератор линейно изменяющегося напряжения, два делителя, логарифмический усилитель, умножитель, два сумматора, два инвертора, два управляещмых. ключа, формирователь управляющего импульса и три усилителя, снабжено блоком деления оптического пучка, устройством формирования изображения, маской с отверстием, имеющим форму области наблюдения изображения, вторым фотопри- Я емником, генератором постоянного напряжения, третьим и четвертым сумматорами, третьим инвертором, вторым логариф- ( мическим усилителем и умножителем и третьим управляемым ключом. 5 ил., 1 табл.

К недостаткам этого устройства следует отнести необходимость непосредственного . сО контакта исследуемого объекта с измери-, О тальным устройством,. необходимость использования для достижения высокой точности измерения большого количества световодов, входы которых соединены в матрицу, а также низкую точность измерения площади при воздействии мешающего светового фона; возникающего, например. при измерении площади частично прозрачных обьектов или засчет неплотного контакта объекта с матрицей световодов, Известно также устройство для измерения площади плоских фигур, в котором из1717962

20 сумматора

40

50 мерение площади производится на основе сравнения токов, поступающих от матрицы фотоприемников, которые соответствуют эталонной и измеряемой площадям.

К недостаткам данного устройства следует отнести необходимость непосредственного контакта измеряемого объекта с измерителем и низкую точность измерения площади при воздействии мешающего фона. Кроме того, в устройстве необходима точная калибровка измерительных каналов по усилению, Структура и принципы построения названных и подобных им измерителей не учитывают случайного характера самого изображения и мешающего оптического фона (засветки), Как известно, оптическое изображение можно представить в виде поля, случайных точек. Точки этого поля соответствуют отдельным фотонам слабого светового потока, светочувствительным центрам фотопластины или экрана, в которых поглощены кванты света. Для фотоэлектронных приемников такими точками являются точки эмиссии фотозлектронов.

Расположение и число этих точек случайны, что и определяет статистическую природу изображения. Наиболее существенно проя вляется случайный характер изображения и фоновой засветки при регистрации и анализе относительно слабых световых потоков или при относительно низкой чувствительности фотоприемников, когда регистрируется лишь малая часть фотонов, падающих на фотоприемник. Случайный характер изображения .й мешающего фона, обусловленный квантовой природой света, приводит к дополнительным ошибкам при измерении площади с помощью перечисленных устройств, что является еще одним существенным их недостатком.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и учитывающим случайную природу изображения и фона является устройство. предназначенное для измерения площади ontweeкого .изображения, которое содержит оптически связанные блок изменения масштаба измеряемого иэображения., маску с отверстием, имеющим форму измеряемого изображения, и фотоприемник, а также содержит указатель экстремума. генератор линейно изменяющегося напряжения, выход которого подключен к управляющему входу блока изменения масштаба, последовательно соединенные делитель, первый вход которого электрически связан с выходом фотоприемника, а второй вход подключен к выходу генератора, логарифмический усилитель, умножитель, второй вход которого подключен к выходу фотоприемника, и сумматор, второй вход которого объединен с вторым входом делителя, а выход подключен к входу указателя экстремума, инвертор, включенный между выходом фотоприемника и третьим входом сумматора, управляемый ключ, управляющий вход которого электрически связан с выходом указателя экстремума, а информационный вход электрически связан с выходом генератора, посл едовател ьно соединен н ые второй сумматор, первый вход которого подключен к выходу фотоприемника, второй делитель, второй вход которого подключен к выходу генератора, и второй управляемый ключ, управляющий вход которого электрически связан с выходом уакзателя экстремума, и второй инвертор, включенный между выходом генератора и вторым входом второго

Недостатком известного устройства являетея низкая точность измерения площади и интенсивности изображения в условиях, когда интенсивность мещающега светового фона неизвестна. Это подтверждается результатами теоретического анализа и данными, полученными в результате его испытаний методами математического моделирования на ЭВМ. Таким образом, во многих случаях, когда интенсивность фона неизвестна, устройство не обеспечивает достаточную точность измерения площади и интенсивности.

Целью изобретения является повышение точности измерения площади и интенсивности полезного изображения при неизвестной. интенсивности мешающего фона, а также расширение функциональных возможностей устройства путем одновременного измерения площади, интенсивности полезного изображения и интенсивности фона.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель, содержащий оптически связанные блок изменения масштаба измеряемого изображения, маску с отверстием, имеющим форму измеряемого изображе- . ния. и фотоприемник, а также содержащее указатель экстремума, генератор линейно изменяющегося напряжения, выход которого подключен к управляющим входам блока изменения масштаба и фотоприемника, последовательно соединенные делитель; первый вход которого электрически связан с выходом фотоприемника, а второй вход электрически:связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, логарифмический усилитель, умножитель, второй вход которого подключен к выходу фотоприемника, и сумматор, выход которо 1717962 го подключен к входу указателя экстремума, инвертор, вход которого подключен к выходу фотоприемника, управляемый ключ, управляющий вход которого через формирователь управляющего импульса электрически связан с выходом указателя экстремума, а информационный вход через первый усилитель электрически связан с:выходом генератора линейно изменяющегося

10 напряжения, последовательно соединенные второй сумматор и второй делитель; второй управляемый ключ, управляеишй вход которого через формирователь y aiляющего импульса электрически связан с выходом указателя экстремума, а инфермационный вход связан с выходом усилителя. третий усилитель и второй инвертор, в ад которого электрически связан с выходом генератора линейно изменяющегося нащря-связанные блок деления оптического пучка, второй выход которого оптически связЬи с входом блока изменения масштаба иэйеряемого изображения, устройство формирования изображения, маска с отверстием, 25 имеющим заданную форму области наблю-. дения иэображения, и второй фотоприемник, а также электрически связанныЕ генератор постоянного напряжения и -тре30 тий сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго инвертора, а выход подключен к второму входу второго делителя, электрически связанные третий инвертор, вход которого подключен к выходу

35 второго делителя, и четвертый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого делителя, а выход подключен к входу второго усилителя, электрически связанные второй логарифмический усилитель, 40 вход которого подключен к выходу второго делителя, и второй умножитель, второй вход которого связан с выходом второго сумматора, а выход подключен к второму входу первого сумматора, и третий управляемый ключ, управляющий .вход которого .через формирователь управляющего импульса связан с выходом указателя экстремума; а информационный вход через третий усилитель связан с выходом второго делителя, 50 причем выход первого инвертора связан е входом второго сумматора, второй вход которого:связан с выходом второго фотоприемника, управляющий вход которого, в своа очередь. связан с выходам генератора линейно изменяющегося напряжения.

Генератор линейно изменяющегося на. пряжения, усилитель, управляемый ключ в совокупности с частью схемы, формирующей сигнал на управляющем входе ключа, обладают свойством измерения площади жения, дополнительно введены оптически "20 изображения неизвестной интенсивности при наличии фона, интенсивность которого также неизвестна. Третий управляемый ключ, третий усилитель, второй делитель, первый и второй инверторы, второй и третий сумматоры, генераторы постоянного и линейно изменяющегося напряжения в совокупности с оптической частью схемы и блоками формированйя управляющего сиг нала третьего управляемого ключа обладают свойством измерения интенсивности мешающего фона, наблюдаемого совместно с полезным изображением неизвестной интенсивности и площади.

На фиг. 1 изображена структурная схема измерителя; на фиг. 2 — временные диаграммы, показывающие вид преобразований, которым подвергаются выходные сигналы фотоприемников при прохождении различных элементов измерителя, а также вспомогательные сигналы, генерируемые блоками схемы; на фиг,. 3 — зависимости выигрыша в точности оценки площади оптического изображения, формируемой предлагаемым измерителем, по сравнению с прототипом от величинь1 отношения Mkтенсивностей полезного изображения и мешающего фона; на фиг. 4 — зависимости выигрыша в точности оценки интенсивности полезного изображения формируемой предлагаемым измерителем по сравнению с прототипом от величины отношения интенсивностей полезного иэображения и мешающего фона; на фиг. 5 — временные диаграммы сигналов в различных точках устройства-прототипа, когда интенсивность мешающего фона не совпадает с прогнозируемой, значение которой определяет характеристики блоков . устройствапрототипа.

Измеритель (фиг. 1) содержит блок 1 деления оптического пучка, блок 2 изменения масштаба измеряемого изображения, маску

3 с отверстием, имеющим форму измеряемого изображения, фотоприемники 4 и 24, генератор 5 линейно изменяющегося напряжения, делители 6 и 25, логарифмические усилители 7 и 26; умножители 8 и 27, усилители 9,.16 и 22, управляемые ключи

10, 17 и 23, устройство 11 формирования изображения, сумматоры 12, 15, 20 и 28. инверторы 13, 14 и 19, маску 18 с отверстием, имеющим заданную форму области наблюдения иэображения, генератор 21 постоянного напряжения, указатель 29 экстремума и формирователь 30 управляющего импульса. Все блоки реализуются на.основе стандартных оптических и радиотехнических устройств, элементов и приборов, изготовляемых с использованием

1717962 как традиционной элементной базы, так и элементной базы радиоэлектроники, В исходном (статическом) состоянии генераторы линейно изменяющегося 5 и постоянного напряжений 21 не вырабатывают сигналов и напряжение на их выходах равно нулю. При этом блок 2 изменения масштаба измеряемого изображения находится в состоянии, обеспечивающем максимальный масштаб изображения, фотоприемники 4 и

24 выключены и сигналы с их выходов не поступают в схему. 8 результате на входах и выходах всех блоков электрической части схемы сигналы равны нулю, Следовательно, ключи 10, 17 и 23 закрыты и на всех выходах устройства сигналы отсутствуют.

Измеритель работает следующим образом.

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

01(т)-0.+КЛ. 0 т(т, где Т вЂ” время анализа изображения.

Сигнал 01(1) поступает на управляющие входы фотоприемников 4 и 24 и включает их на время Т. Блок 1 деления оптического пучка разделяет приходящее от анализируемого изображения И (фиг. 1) оптическое излучение на два оптических пучка. Первый пучок поступает на вход блока 2 изменения масштаба измеряемого изображения, который формирует вторичное изображение в плоскости маски 3. На управляющий вход блока 2 поступает сигнал 0ф). 8 гоответстеии о этим еигналом блок 2 уменьшает масштаб изобре)кение И(фиг. 1) е Ог(т)/кз рзз по обеим осям. Следовательно, площадь вторичного изображения в плоскости маски

3 изменяется обратно пропорционально сигналу О (1), 8 результате площадь вторичного полезного изображения определяется формулой

Язв MRS /0 1(Х) КВАЗИ/(0о + КМ) где Зи - истинное значение площади полезного изображейия.

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

Поэтому

Ue ЯВах Я(у))о я я К д

Т Smln где Smln и Явах — соответственно минимально и максимально возможные площади полезного иэображения;

Яп з — площадь отверстия маски 3.

5 При этом время анализа Т выбирается минимально возможным, насколько позволяет быстродействие блоков устройства для обеспечения их нормальной работы. Значения начального напряжения генерато10 ра линейно изменяющегося напряжения

0О и чувствительности К2 блока 2 изменения масштаба измеряемого изображения определяются выбором типа этого устройства и взаимным расположением анализи15 руемого изображения И (фиг. 2) и блока 2.

Сформированное блоком 2 вторичное изображение создает световой поток через отверстие в маске 3, который поступает на оптический вход фотоприемника 4. Свето20 вой поток на входе фотоприемника 4, а следовательно, и величина электрического сигнала на его выходе определяются отношением площади отверстия в маске 3 к площади вторичного изображения, если

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

30 вторичного изображения. Следовательно, с учетом фона сигнал на выходе фотоприемника 4 имеет вид (фиг. 26) 0z(t) = Кз(01()+ qmin_#_1(t), 0)(ти))), 35 где q — отношение интенсивности полезного изображения к интенсивности фона.

Здесь под интенсивностью понимается среднее число точек изображения на едини40 цу площади. Как видно из фиг. 26, сигнал на выходе фотоприемника 4 имеет излом в момент времени 1и. Этот момент соответствует такому значению масштаба вторичного изображения в плоскости маски 3, когда

45 истинное значение площади вторичного полезного изображения совпадает с площадью Яу()з отверстия маски 3. Действительно, приращение сигнала 02(1) на выходе фотоприемника 4 в интервале вре50 мени от нуля до ти (площадь вторичного полезного изображения больще площади отверстия в маске) обусловлено приращением количества точек как полезного изображения. так и мешающего фона, 55 попавших в отверстие маски 3. Приращение сигнала 0з(т) на интервале времену от

tg до Т с уменьшением масштаба изображения обусловлено только приращением количества точек мешающего фона, попавших в отверстие маски 3, Поэтому зааиси1717962

10 мость U2(t) на интервале времени от1и до

Т является более пологой, чем на интервале от нуля до 1и. Момент времени tl4 однозначно связан- с истинным значением площади полезного изображения (если пренебречь, как это сделано для наглядности кривых на фигурах, флуктуациями сигма ла U2(t), вызванными статистической природой изображения и фона). Действительно, приравнивая площади вторичного полезного изображения и отверстия в маске

3, имеем

10

Т Зи — Smlи

Smax S min

50 ная контрастность), или роль экспандера (расширителя динамического диапазона сигнала), когда интенсивность полезного иэображения значительно меньше интенсивности фома (слабая контрастность) и. соответственно о «1.,55

Сигнал U4(t) (фиг. 2г) с выхода логариф-, мического усилителя.7 поступает на вход умножителя 8, на другой вход которого поступэет сигнал с выхода фотоприемника 4

Следует отметить, что крутизна рассматри-. ваемой кривой как на интервале от нуля до

tube, так и на интервале от tl4 до Т заранее не известна, поскольку она определяется не- 20 известными величинами интенсивностей полезного иэображения и мешающего фона,. Заранее не известен также и момент времени tl4, поскольку он определяется величиной истинного значения .площади по- 25 леэного изображения. Целью дальнейших преобразований сигнала 02(t) в электрической части схемы предлагаемого измерителя является извлечение закодированной в нем информации о значениях 30 интенсивности и площади полезного изображения, а также об интенсивности. мешающего фона.

Сигнал (фиг. 2б) с выхода фотоприемника 4 поступает на вход делителя 6. На второй 35 вход делителя 6 поступает сигнал.c выхода генератора 5 линейно изменяющегося напряжения. В результате на выходеделителя

6 имеем сигнал (фиг. 2в)

Оз(1) = U2(t)/Uq(t). 40

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

U4(t) - Зп Ua(t).

При этом логарифмический усилитель 7 вы- 45 полняет роль компрессора (снижает динамический диапазон), когда превышение интенсивности полезного изображения над интенсивностью фона велико (q» 1, силь(фиг. 2б). Выходное напряжение умножителя8

U5(t) = U2(t) U4(t) с точностью до амплитудного множителя изображено на фиг. 2д.

Сигнал U1(t) с выхода генератора 5 линейно изменяющегося напряжения поступает также на вход усилителя 9. На выходе этого усилителя формируется сигнал (фиг. 2е)

Ug(t) = K4U l(t), где К4 — коэффициент усиления сигнала.

Сигнал Ug(t) поступает. на информационный вход управляемого ключа 10. Кроме того, сигнал Ul(t) с выхода генератора 5 линейно изменяющегося напряжения поступает на вход инвертора 13. Выходное напряжение инвертора 13

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

08(Х) = UoSv/Smln. 0 t Т, где SH — площадь области наблюдения изображения, SH Smax

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

Ug(t) = 07(i) + U8(t), Второй оптический пучок с выхода блока 1 деления оптического пучка. подается. на вход устройства 11 формирования иэображения. Это устройство формирует вторичное изображение в плоскости маски 18.

При этом ьдсштаб изображения уменьшается в 1/К5 раз по обеим осям. В результате площадь вторичного изображения всей области наблюдения .определяется формулой

S2H = 5SH.

- Для того, чтобы через отверстие в маске

18 проходили только лучи, соответствующие области наблюдения изображения, необходимо, чтобы отверстие.в маске 18 имело форму области. наблюдения, а площадь отверстия Яв1з совпадала с площадью вторичного изображения в18 = 2Н = ASH.

Сформированное блоком 11 оптическое изображение создает световой поток через отверстие в маске 18, который посгупает на оптический вход фотоприемника 24, Световой поток через отверстие в маске 18 является суммой двух световых потоков, Первый световой поток обусловлен полезным изображением, занимающим часть области наблюдения площадью S«. Второй

1717962

5

20

35

q«1., 40

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

Uio(t) - Кз {Зн01(Т)/Sm»+ qUi(tp)}.

05t

Uii(t) - -0®.

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

Uiz(t) - 01@) + Uii(t), который поступает на вход делителя 25. На другой вход делителя 25 поступает сигнал

Ugft) с выхода сумматора 20. Выходное напряжение делителя 25

013(т) 012(т)/09(т) с. точностью до амплитудного множителя изображено на фиг. 2н. Далее этот сигнал поступает на вход логарифмического усилителя 26, который формирует напряжение (фиг. 2о)

Ui4(t) =1п 013(1).

При этом логарифмический усилитель 26 так же, как и блок 7, выполняет роль компрессора (сжимает динамический диапазон), когда

q» 1, или роль экспандера (расширителя динамического диапазона сигнала), когда

Сигнал Ui<(t) с выхода логарифмического усилителя 26 поступает на вход умножителя 27,: иа другой вход которого поступает сигнал с:выхода сумматора 12. Таким образом, на выходе умножителя 27 формируется сигнал (фиг. 2п)

Uis(t3 - 01@) 0и(с), который поступает на вход сумматора 28.

На другой вход сумматора 28 поступает сигнал Us{t) (фиг. 2д) с выхода умножителя 8.

Выходное напряжение сумматора 28

U16(t) - 0®+ о® с точностью до амплитудного множителя изображено на фиг. 2р.

Как видно иэ фиг. 2р, выходной сигнал сумматора 28 имеет максимум в момент времени tg, соответствующий истинному значению измеряемой йлощади. Этот сигнал с выхода сумматора 28 поступает на вход указателя 29 экстремума, который фиксирует положение наибольшего максимума входного сигнала. Следует отметить, что за счет статистической природы иэображения флуктуации сигналов на выходах фотоприемников 4 и 24 приводят к флуктуациям положения абсолютного максимума сигнала на входе указателя экстремума, Это служит причиной возникновения ошибок измерения площади и интенсивности полезного изображения, а также ошибок измерения интенсивности фона. Причем флуктуации положения абсолютного максимума тем меньше, чем выше крутизна подъема и спада сигнала на фиг. 2р до и после момента времени си, Кроме того, для уменьшения систематической ошибки желательно, чтобы скорость возрастания сигнала до момента

1и примерно соответствовала скорости спада сигнала после момента времени ти. Часть схемы, включающая логарифмический усилитель 26, умножитель 27 и сумматор 28, служит для обеспечения наибольшей и примерно равной скорости подъема и спада сигнала на входе указателя 29 экстремума при различных значениях неизвестной интенсивности фона.

В момент (t = ти), когда входной. сигнал .блока 29 достигает своего максимального. значения. на его выходе формируется сигнал, изображенный на фиг. 2с. Этот сигнал своим передним фронтом запускает формирователь 30 управляющего импульса. В результате формирователь 30 управляющего импульса в момент 1и вырабатывает короткий по сравнению с временем анализа Т импульс (фиг. 2т). Этот импульс служит управляющим сигналом для ключей 10, 17 и 23. Длительность управляющего импульса на выходе блока 30 выбирается минимальной. чтобы за время его длительности сигналы на информационных входах ключей 10,. 17 и. 23 не успели заметно измениться, до достаточной для регистрации амплитуд коротких импульсов на выходах этих ключей.

Рассмотрим теперь формирование сигналов на выходах ключей 10,. 17 и 23, На информационный вход ключа 10 поступает усиленный усилителем 9 сигнал с: выхода. генератора 5 линейно изменяющегося напряжения (фиг. 2е), Как указывалось, блок

2 по сигналу генератора линейно изменяющегося напряжения уменьшает масштаб вторичного изображения в плоскости маски 3. Площадь вторичного изображения уменьшается обратно пропорционально сигналу блока 5. а отношение площади отверстия в маске 3 к площади вторичного полезного изображения увеличивается пропорционально сигналу блока 5. Это соответствует случаю, когда иэображение наблюдается через маску, площадь отверстия в которой увеличивается пропорционально сигналу Ui(t) от величины Sm» до

Sm». В этой интерпретации ти соответству14

1717962

13 ет моменту времени, когда площадь отверстия s такой маске совпадает со значением

Яи. Но площадь отверстия в маске при t =

=ти пропорциональна 01(1и), следовательно, величина 01((и) пропорциональна истинному значению площади полезного изображения Яи. Таким образом, для измерения Яи достаточно найти значение

U1(t) в момент tg. Эту операцию выполняет управляемый ключ 10, который открывается на короткое время сигналом с выхода формирователя управляющего импульса.

Амплитуда импульса на выходе ключа 10 (фиг. 2у) пропорциональна измеренному значению площади Й полезного изображения, Коэффициент усиления К4 усилителя 9 определяется коэффициентом пропорциональности между 01(ти) и Яи, а также выбранной единицей измерения площади.

Например, если Кд = Smi>/О, то единицы измерения площади совпадают с теми; в которых заданы величины Smin и $вах..

На информационный вход ключа 23 поступает усиленный блоком 22 сигнал (фиг.

2ф) с выхода делителя -25

01® = Кв 01э(т), где K8 — коэффициент усиления усилителя

22.

Амплитуда сигнала 0п(т) на интервале времени от 1и до Т равна К8 .Кэ. Коэффициент

Кэ, определяющий амплитуды сигналов на выходах фотоприемников 4 и 24, пропорционален интенсивности мешающего фона i4: Кз = Кт kq. Величина Кт зависит от коэффициента деления оптического пучка в блоке 1, потерь энергии оптического сигнала в блоках 1, 2 и 11, квантовой эффективйости фотоприемников 4 и 24, и других характеристик оптических элементов предлагаемого измерителя. Для измерения интенсивности мешающего фона достаточно найти значение сигнала 017(1) на интервале времени от tg до Т. Реальный сигнал на выходе блока 22 флуктуирует за счет стати-. стической природы изображения и фона.

Причем дисперсия-флуктуаций увеличивается с ростом t. Следовательно, для йзмерения интенсивности мешающего фона с наименьшей ошибкой необходимо регистрировать амплитуду сигнала с выхода усилителя 22 в момент времени, близкий к tg;

Эту функцию выполняет управляемый ключ 23, который открывается на короткое время сигналом с выхода формирователя управляющего импульса. Амплитуда имnynbca (фиг, 2х) на выходе ключа 23 пропорциональна измеренному значению интенсивности. фона Хч. Коэффициент усиления Кв усилителя 23 определяется величиной К7 и выбранной единицей измерения интенсивности фона. Например, если К8 =

=1/К7, то амплитуда импульса на выходе блока 23 совпадает с величиной д, выра5 женной в тех же единицах измерения, что и величина ilN.

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

018(t) = -U1a(t) с точностью до амплитудного множителя приведен на фиг. 2ц. Этот сигнал подается на вход сумматора 15, на другой вход которого поступает сигнал 0з(т) (фиг, 2в) с выхода

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

019(t) = 03(т) + 018(1), которое поступает на вход усилителя 16. Выходной сигнал усилителя 16, с точностью до

20 амплитудного множителя приведенный на фиг. 2ш . 020(т) = K8 019(t), где К8 — коэффициент усиления блока 16.

Амплитуда сигнала в момент времени t = tpl

25 равна рКэК8. Как отмечалось, величина р равна отношению интенсивности полезного иэображения Яз к интенсивности фона

Я11, а величина Кэ = Кт Лн, Следовательно, амплитуда сигнала на выходе блока 16 в

30 момент времени t = ти равна As КтК8. Для измерения интенсивности полезного изображения достаточно найти значение сигнала 02о(т) в момент времени 1и, Эту задачу выполняет управляемый ключ

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

40 полезного изображения,4. Коэффициент усиления К8 усилителя 16 определяется величиной К7 и выбранной единицей измерения интенсивности полезного изображения. Например, если К 8 = 1/Кт,. то

45 амплитуда импульса на выходе блока 17 совпадает с величиной 3. выраженной в тех же единицах измерения, что и величина i4.

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

1717962

1б устройство снова может быть использовано для измерения площади и интенсивности полезного изображения, а также интенсивности фона. Для этого достаточно вновь запустить генераторы постоянного и линейно 5 изменяющегося напряжений (например, с помощью повторного включения устройства).

Точность измерения площади и интенсивности полезного изображения, а также 10 интенсивности фона зависит от среднего числа р точек фона в области, имеющей форму полезного изображения и площадь

Smax, и от величины q отношения интенсивностей полезного изображения и фона. 15

Работоспособность измерителя и- точность измерения им площади и интенсивности полезного изображения, э также интенсивности фона оценивались в процессе испытаний измерителя посредством мо- 20 делирования его работы на ЗВМ.

Моделирование проводилось с учетом статистической природы изображения и фона.

При этом набор случайных точек, представляющих собой полезное изображение и 25 фон, вырабатывался путем генерирования на Э ВМ последовательностей случайных чисел с пауссоновским законом распределения и переменной интенсивностью, Соответствие модели в ЭВМ и измерителя 30 проверялось контролем формы сигналов на выходах блоков схемы и тестовыми проце. дурами. Моделирование показало работоспособность предлагаемого измерителя и высокую точность измерения им площади и 35 интенсивности полезного изображения, а также интенсивности мешающего фона.

Анализ характеристик предлагаемого измерителя и устройства-прототипа с применением методов теории потенциальной 40 помехоустойчивости, а также испытания измерителя посредством моделирования. его работы на ЭВМ показали, что средние значения квадратов ошибок измерения интенсивности фона, интенсивности изображения и 45 его площади в предлагаемом измерителе можно найти из выражений у — " - г, 50 н н и гиах(эн (1)

BN+ 38 B„ лГ + ) "

S(q Ss би омахеSp г ох н и).:, V = p ((1+у) .г.((2Гг -(Гз- i) (2Гг.- Г1))+ 55

+(2Г -Г, (гг. Г1))((г. 4)39 5(1 9)" Г "

x (rq- Г 3" Е)г" (4y) j где (= In 1(1 + q) — q(1 + q) In т(1 + р), ;. = q2(1 + ц)- 1п (1 + q);

Аэ и Я(ч — интенсивности полезного иэображения и фона;

q = А8//Ъ; p = Smax kv.

Для устройства-прототипа средние значения квадратов ошибок измерения интенсивности и площади полезного изображения при неизвестной интенсивности фона определяются выражениями . т Я, т, т О > тЕ(Г- тт г j(1+q)2ДаPgз-g 8-Ayà (28 Ay) +

+ (2B -А И+В))(В -4) $$2it (1+(() A+8

)г (e -A>4 р ((е+ )/ ) - (1, где

А=(ь Е(1.y)ly)- È- pl(1 )))pÄ ((1 2) );):, Ь=ц Lt- f l(f+OМп Е(1+у)/ " ) ) у — отношение прогнозируемого значения интенсивности фона, которое используется в прототипе, к истинному значению интенсивности фона.

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

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

Ч ъп!Чь.

На фиг, 3 приведены зависимости выигрышал,. (дБ} в точности оценки площади оптического изображения, формируемой предлагаемым измерителем, по сравнению с устройством-прототипом от величины отношения интенсивностей полезного изображения и фона р. Кривая а построена при у =2;2-у.=1,2;3-у =1,1;4- у =0,9;

5-у = 0,8; 6- у - 0,5. Анализ зависимостей (фиг. 3) показывает, что даже при сравнительно небольших отличиях истинного значения интенсивности фона от прогнозируемого значения, используемого в прототипе, прототип обладаег меньшей точностью из-. мерения площади по сравнению с предлагаемым измерителем. Выигрыш в точности измерения площади оказывается наиболее существенным в случае малых значений параметра q, которые часто наблюдаются на практике, В таблице приведены значения выигрыша зР1 при различных величинах q и у.

Пропуски в таблице соответствуют таким наборам параметров ои.у, при которых

1717962

18 прототипоказываетсянеработоспособным. неизвестного истинного значения сигнал р д аблицы, прото- x (t) на входе указателя экстремума прототип приближае ся по точности измерения типасточностьюдоамплитудногомножитеплощадийзображения к предлагаемомуиз- ля изображен на фиг. 5а. Этот сигнал близких к е ини е. В мерителю только при q» 1 и значениях у, 5 имеет в окрестности б т ти максимума олее полиэких к единице. В остальных случаях логие наклоны, чем сигнал на входе входе указамума в предлагаемом р о ип обеспечивает существенно мень- тел я э к с т р е м у м а шую точность измерения площади, .чем измерителе (фиг. 2 р). Причем наклон липредлагаемый измеритель. ний в окрестности точки максимума уменьыигрыш в точности измерения интен- 10 шается с ростом отличия прогнозируемого сивности полезного иэображения предлата- значения интенсивности фона от истинного емым измерителем по сравнению с значения, которое заранее не известно. устройством-прототипом характеризуется Уменьшение крутизны сигнала в окрестновеличиной отношения ния . сти максимума ведет к увеличению случай15 ных смещений максимума от точки, у =v v л л, я - соответствующей площади полезного изображения. Эти смещения обусловлены

На фиг. 4 приведены зависимости выиг- флуктуациями сигнала вызванным р Ф(д ) вточностиоценки интенсивно- стической природой как самого изображести полезного изображения, формйруемой 20 ния, так и фототока фотоприемника. В предлагаемым измерителем, по сравне- результате возрастают случайные ошибки нию с устройством-прототипом от величи- измерения площади полезного изображеизоб ны отношения интенсивностей полезного ния в устройстве-прототипе, В изо ражения и фона. При построении.крй- мом измерителе крутизна сигнала на входе вых фиг. 4 полагалось, что SH = Smax, Spi = 25 указателя экстремума в окрестности максима я = 300 2=Smax/2, у -,9. Зависимостьарассчита- мума, при прочих равных условиях виях, всегда дл,и =, -p = 1000, 3 - р;- 3006, . -; чем в устройстве-прототипе. 3а

Анализ зависимостей(фиг. 4) показывает, что счет этогоуменьшается влияние флуктуаций прототипдажеприсравнительнонебольшом сигнала на входе указателя экстремума на отличии истинного значения интенсйвности 30 точность фиксации момента в ем ни, фона от и огно м ф р гноЗируемого значения обладает ветствующего истинному значени.о площаменьшей точностью измерения интейсивно- . ди полезного изображения. сти полезного изображения чем предлагае- Ошибки в определении момента времемый измеритель. Выигрыш .в точности ни, соответствующего истинному значению измерения интенсивности оказывается наи- 35 площади полезного изображения, в устройолее существенным в случае малых эначе- . стае-прототипе приводят к тому, что управний параметра q, которые представляют ляемые ключи открываются либо раньше, наибольший практический интерес.. либо позже необходимого момента времеаким образом, применение предлагае- ни. Вследствие этого выходные сигналы упмого измерителя обеспечивает существен-,40 равляемых ключей устройства-прототипа ный положительный эффект.. отличаются от истинных значений площади

Для пояСнения причин появления выиг-. и интенсивности полезного изображения, рыша в точности измерения площади и ин- Это служит причиной возникновения ошитенсивности полезного изображения . в бок измерения в устройстве-прототипе. предлагаемом измерителе по сравнению с 45 Если прогнозируемое значение интен.устройством-прототипом рассмотрим про- сивности фона существенно отличаемся от цесс формирования выходных сигналов ус.- . истинного значения, что приводит к нарушетройством-прототипом в условиях, когда нию работоспособности устройства-протозначениеинтенсивностимешающегофона . типа (т.е. к- очень большим ошибкам заранее не йзвестно и отличается от про- 50 измерения). В этом случае сигнал хп() на гнозируемого значения интенсивности фо- входе указателя экстремума прототипа с на. В этом случае выходной сигнал точностьюдо амплитудного множителя пригенератора линейно изменяющегося напря- веден на фиг. 5б. Как видно иэ зависимости жения в йрототипе с точностью до ампли- фиг. 56, сигнал не обладает экстремумом в тудного множителя совпадает с сигналом, 55 точке ти, соответствующей истинному знаиэображенным на фиг. 2а, а выходной сиг- . чению площади Яи. Вследствие этого указанал фотоприемника в прототипе совпадает тель экстремума прототипа вырабатывает с сигналом, изображенным на фиг. 2б.. импульс (фиг. 5в), начинающийся в момент

В случае небольших отличий прогнози- времени t = 0 и соответствующий измеренруемого-значения интенсивности фона от ному значению площади . = Smin "- Яи, Та1717962

20 ким образом, при неизвестной интенсивности мешающего фона ошибка измерения площади изображения в устройстве-прототипе существенно возрастает. Ошибки измерения площади изображения, как и в случае малых отличий прогнозируемого и истинного значений интенсивности фона, приводят к ошибкам измерения интенсивности полезного изображения, поскольку сигнал фиг. 5в задает момент срабатывания управляемых ключей устройства-прототипа.

Формула изобретения

Измеритель площади оптического изображения, содержащий оптически связанные блок изменения масштаба измеряемого изображения, маску с отверстием, имеющим заданную форму, и фотоприемник, указатель экстремума, генератор линейно изменяющегося напряжения, выход которого подключен к управляющим входам блока изменения масштаба и фотоприемника, последовательно соединенные делитель, первый вход которого связан с выходом фотоприемника, а второй вход связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения. логарифмический усилитель, умножитель, второй вход которого подключен к выходу фотоприемника, и сумматор, выход которого подключен к входу указателя экстремфма, инвертор, вход которого подключен к выходу фотоприемника, управляемый ключ, управляющий вход которого через формирователь управляющего импульса связан с выходом указателя экстремума, а информационный вход связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, последовательно соединенные второй сумматор и второй делитель, второй управляемый ключ, управляющий вход которого через формирователь управляющего импульса связан с выходом указателя экстремума, второй инвертор, вход которого связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения площади и интенсивности полезного изображения при неизвестной интенсивности фона и расширения функциональных возможностей путем измерения также и интенсивности фона, он снабжен оптически связанными блоком деления оптического пучка, второй выход которого оптически связан с входом блока изменения масштаба измеряемого изображения, устройством формирования иэображения, второй маской с отверстием, имеющим заданную форму, и вторым фотоприемником, последовательно соединенными генератором постоянного напряжения и третьим сумматором. второй вход которого подключен к выходу второго инвертора, а выход — к второму входу второго делителя, четвертыми сумматором, второй вход которого подключен к выходу первого .делителя, а выход подключен к второму входу второго управляемого ключа, вторым логарифмическим усилителем, вход которого подключен к выходу второго делителя, вторым умножителем, первый вход которого связан с выходом второго логарифмического усилителя. второй вход связан с выходом второго сумматора, а выход подключен к второму входу первого сумматора, третьим управляемым ключом, управляющий вход которого через форми.рователь управляющего импульса связан с выходом указателя экстремума, а информационный вход связан с выходом второго делителя, выход первого инвертора связан с входом второго сумматора, второй вход которого связан с выходом второго фотоприемника, управляющий вход которого связан с выходом генератора линейно изменяющегося напряжения, выход второго делителя через третий инвертор связан с входом четвертого сумматора.

1717962

1717962

1717962

X (, Составитель И. Горяинов

Редактор О. Юрковецкая Техред М.Моргентал Корректор Н. Ревская

Заказ 869 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Измеритель площади оптического изображения Измеритель площади оптического изображения Измеритель площади оптического изображения Измеритель площади оптического изображения Измеритель площади оптического изображения Измеритель площади оптического изображения Измеритель площади оптического изображения Измеритель площади оптического изображения Измеритель площади оптического изображения Измеритель площади оптического изображения Измеритель площади оптического изображения Измеритель площади оптического изображения Измеритель площади оптического изображения 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в биологических исследованиях, связанных с определением параметров листьев растений

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для изменения площади непрозрачных плоских фигур

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к обработке оптических изображений и может быть использовано в сельскохозяйственном производстве для измерения площади проекции кроны растения в различных сечениях, что необходимо для обоснованного выбора облучателя в сооружениях для выращивания растений при искусственном облучении

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для проведения фотометрических исследований в сельском хозяйстве
Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для автоматизированного измерения фактической минимальной площади проходного сечения проточной части межлопаточных каналов сопловых аппаратов турбин, роторов компрессоров. В способе измерения фактической минимальной площади проходного сечения межлопаточных каналов предварительно выполняют оцифровку или томографию для получения трехмерных наборов данных по каждому из каналов объекта. Затем каждый из наборов данных обрабатывают и позиционируют между собой. После формирования исходных данных применяют программу автоматического определения поверхности проходного сечения для каждого канала. Далее используют встроенные функции программы, которые вычисляют площадь каждой из поверхностей, формируют отчет с найденными значениями и резервные файлы. За счет построения и определения поверхности минимального проходного сечения по всей геометрии канала, а не по отдельным точкам или размерам, повышается точность измерения площади проходного сечения.
Наверх