Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Влияние характеристик регистрирующих фотосенсоров на качество восстановления изображений цифровыми голограммами Френеля

Диссертация: Влияние характеристик регистрирующих фотосенсоров на качество восстановления изображений цифровыми голограммами Френеля
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Для определения возможностей увеличения ОСШ при регистрации световых распределений за счёт компенсации пространственных шумов с помощью портретов шумов, получены расчётные оценки ОСШ для случаев однократной и многократной экспозиций. Результаты проведённого численного моделирования хорошо согласуются с расчётными оценками. Показано, что использование компенсации пространственных шумов… Читать ещё >

Влияние характеристик регистрирующих фотосенсоров на качество восстановления изображений цифровыми голограммами Френеля (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. Оценки параметров регистрируемых объектов и сравнение методов улучшения качества цифровых голограмм и численного восстановления изображений объектов
    • 1. 1. Оценки параметров объектов при записи цифровых голограмм Френеля
      • 1. 1. 1. Оценки поперечного разрешения и размеров регистрируемых объектов
      • 1. 1. 2. Оценки продольного разрешения регистрируемых объектов
    • 1. 2. Сравнение методов численного восстановления изображений с цифровых голограмм Френеля
      • 1. 2. 1. Условия численных экспериментов по моделированию записи и восстановления изображений с голограмм Френеля
      • 1. 2. 2. Сравнение методов численного восстановления изображений с цифровых голограмм
    • 1. 3. Методы улучшения качества восстановленных изображений с цифровых голограмм
      • 1. 3. 1. Сравнение методов подавления нежелательных порядков дифракции путём численной фильтрации
      • 1. 3. 2. Уменьшение спекл-шума на восстановленных полях
      • 1. 3. 3. Влияние шумовых и радиометрических характеристик фото- и видеокамер на качество восстановленных изображений с цифровых голограмм
  • 2. Экспериментальная запись цифровых голограмм Френеля и восстановление изображений объектов
    • 2. 1. Экспериментальная установка для записи цифровых голограмм Френеля «плоских» объектов и объёмных сцен
      • 2. 1. 1. Схема экспериментальной установки
      • 2. 1. 2. Условия проведения экспериментов
      • 2. 1. 3. Определение расстояния от объекта до голограммы по численно восстановленным полям
    • 2. 2. Экспериментальная проверка оценок предельных параметров регистрируемых на голограммы объектов
      • 2. 2. 1. Определение поперечных размеров объекта по численно восстановленному изображению
      • 2. 2. 2. Экспериментальная проверка расчётных оценок предельных параметров регистрируемых объектов
      • 2. 2. 3. Поперечное и продольное разрешение численно восстановленных изображений объекта
    • 2. 3. Запись цифровых голограмм объёмных сцен и их фильтрация от нежелательных порядков дифракции
      • 2. 3. 1. Запись цифровой голограммы объёмной сцены в режиме «на просвет» и численное восстановление изображения объекта с неё
      • 2. 3. 2. Запись цифровых голограмм объёмных сцен в режиме «на отражение» и численное восстановление изображения объекта с неё
      • 2. 3. 3. Подавление нежелательных порядков дифракции путём численной фильтрации
    • 2. 4. Экспериментальные результаты по записи цифровых голограмм при пространственпо-некогерентном освещении
    • 2. 5. Оптическое восстановление изображений и динамическое отображение объёмных сцен с помощью цифровой голографии
      • 2. 5. 1. Методы оптического восстановления изображений с цифровых голограмм, выведенных на физический носитель
      • 2. 5. 2. Эксперименты по динамическому отображению цифровых голограмм с помощью фазового пространственно-временного модулятора света
      • 2. 5. 3. Эксперименты по динамическому отображению объёмных сцен с помощью цифровой голографии
  • 3. Измерение шумовых и радиометрических характеристик цифровых фото- и видеокамер
    • 3. 1. Экспериментальная установка и измерение радиометрических функций фото- и видеокамер
      • 3. 1. 1. Экспериментальная установка для измерения шумовых и радиометрических характеристик фото- и видеокамер
      • 3. 1. 2. Измерение радиометрических характеристик фото- и видеокамер
    • 3. 2. Методика измерения временных шумов фото- и видеокамер и полученные результаты
      • 3. 2. 1. Методика измерения временных шумов фото- и видеокамер
      • 3. 2. 2. Измерение световых и темновых временных шумов фото- и видеокамер
    • 3. 3. Методика измерения пространственных шумов фото- и видеокамер и полученные результаты
      • 3. 3. 1. Методика измерения пространственных шумов фото- и видеокамер
      • 3. 3. 2. Измерение световых и темновых пространственных шумов фото- и видеокамер
    • 3. 4. Экспериментальная оценка статистических распределений шумов камер
    • 3. 5. Методика получения портрета световых пространственных шумов фото- и видеокамер и полученные результаты
      • 3. 5. 1. Методика получения портрета световых пространственных шумов фотосенсоров фото- и видеокамер
      • 3. 5. 2. Измерение портрета световых пространственных шумов экземпляра камеры
      • 3. 5. 3. Идентификация снимков, сделанных экземпляром камеры, по портрету световых пространственных шумов
    • 3. 6. Анализ характеристик цифровых камер для целей цифровой голографии
  • 4. Отношение сигнал/шум и его увеличение для восстановления изображений цифровыми голограммами
    • 4. 1. Численная модель регистрации световых распределений цифровыми камерами с учётом их характеристик
    • 4. 2. Оценка отношения сигнал/шум при регистрации одиночных кадров
      • 4. 2. 1. Отношение сигнал/шум в регистрируемых световых распределениях
      • 4. 2. 2. Отношение сигнал/шум в восстановленных изображениях с цифровых голограмм
    • 4. 3. Метод увеличения отношения сигнал/шум за счёт пространственного усреднения по соседним пикселям при однократной и многократной экспозициях
      • 4. 3. 1. Увеличение отношения сигнал/шум в регистрируемых световых распределениях
      • 4. 3. 2. Увеличение отношения сигнал/шум в восстановленных изображениях с цифровых голограмм
    • 4. 4. Метод увеличения отношения сигнал/шум за счёт компенсации пространственных шумов с помощью их портретов при однократной и многократной экспозициях
      • 4. 4. 1. Увеличение отношения сигнал/шум в регистрируемых световых распределениях
      • 4. 4. 2. Увеличение отношения сигнал/шум в восстановленных изображениях с цифровых голограмм
    • 4. 5. Экспериментальные результаты по оценке отношения сигнал/шум и его повышению
      • 4. 5. 1. Увеличение отношения сигнал/шум в регистрируемых световых распределениях за счёт многократной экспозиции
      • 4. 5. 2. Увеличение отношения сигнал/шум в регистрируемых световых распределениях за счёт пространственного усреднения по группам пикселей
      • 4. 5. 3. Увеличение отношения сигнал/шум регистрируемых распределений за счёт компенсации пространственных шумов с помощью их портретов
      • 4. 5. 4. Экспериментальная оценка влияния шумов и радиометрических характеристик регистрирующих камер на качество цифровых голограмм

Актуальность темы

исследования.

При регистрации па цифровой матричный фотоприёмник интерференционных картин от объектного и опорного пучков (т.е. цифровых голограмм [1]) невозможно избежать потерь информации об объекте по нескольким причинам. Главными информационными ограничениями являются разрешение и число отсчётов фотоприёмников. Данные ограничения в ближайшем будущем не смогут коренным образом измениться, несмотря на совершенствование цифровых матричных фотоприёмников.

Другое ограничение — недостаточная точность методов численного восстановления изображений с цифровых голограмм. В литературе описано значительное количество методов численного восстановления изображений с цифровых голограмм: прямой расчёт дифракции Френеля [2], распространение углового спектра [3], приближение метода распространения углового спектра для зоны дифракции Френеля и др. [4−10]. Однако при этом присутствуют лишь оценки границ применимости различных методов [5, 11−12], а сравнение качества восстановления практически отсутствует. Важна также и вычислительная ресурсоёмкость алгоритмов, что особенно критично при использовании голографического видео и динамических процессов.

Следующее ограничение — необходимость пространственного отделения «+1» (информативного) дифракционного порядка, содержащего восстановленное изображение объекта, от «0» и «-1» (неинформативных) при численном восстановлении изображений с цифровых голограмм [1]. Это приводит к дополнительному уменьшению числа элементов разрешения в регистрируемом изображении объекта. Чтобы избежать дополнительного уменьшения числа элементов разрешения, используют осевую схему записи цифровых голограмм с применением метода фазовых шагов [13]. Использование таких элементов, как фазовые пластинки, позволяет снять четыре интерференционные картины с разными фазовыми набегами и отделить программными средствами «+1» порядок дифракции от «0» и «-1». Главным недостатком данной схемы является необходимость устойчивого положения экспериментальной установки при записи цифровых голограмм. Данная проблема решалась в [14−16] главным образом путём добавления различных элементов, таких как матричные фазовые пластинки, что приводит к усложнению экспериментальной схемы, а также к ухудшению качества восстановленных изображений. Другой вариант решения проблемы пространственного разделения порядков дифракции — использование методов численного подавления неинформативных дифракционных порядков при восстановлении полей с голограмм. В литературе описано множество методов фильтрации нежелательных порядков дифракции: фильтрация в частотной плоскости выбором области обнуления пространственных частот [17], обнулением частот по порогу [18]- фильтрация в пространственной плоскости вычитанием из голограммы её среднего значения [19], значений, полученных медианной фильтрацией голограммы и др. [20−23]. Однако литература, касающаяся сравнения качества восстановления по результатам применения методов фильтрации, также практически отсутствует.

Ещё одним ограничением, являющимся общим для классической и цифровой голографии, является наличие спеклов на восстановленных изображениях, вследствие использования когерентного излучения. Данная проблема широко исследуется, и для её решения предлагаются либо оптические методы (съёмка нескольких голограмм объекта при различных условиях) [24−26], либо методы цифровой фильтрации одиночной голограммы [27−28].

Следующим важным фактором, определяющим качество восстановленных изображений, является наличие шумов и ограниченность динамического диапазона фотосенсоров регистрирующих камер. В классической, или аналоговой, голографии влияние характеристик регистрирующих сред на качество восстановления широко исследовалось и подробно описано (см., например, [29−30]). В цифровой голографии в качестве «регистрирующей среды» выступает матричный фоторегистратор камеры. Однако в литературе присутствует только анализ влияния разрядности АЦП на восстановление изображений объектов [31−33], а также световых временных шумов камер на качество восстановления для случая фазовых объектов [34−35]. Оценки влияния темпового и светового пространственного шума, ограниченности линейного динамического диапазона камер на качество восстановления изображений с цифровых голограмм в литературе отсутствуют. Также отсутствуют оценки совокупного влияния шумовых и радиометрических характеристик конкретных цифровых камер на качество восстановления. Помимо этого, не рассмотрены методы улучшения качества восстановления изображений за счёт уменьшения влияния временных и пространственных шумов камер.

Таким образом, количественный анализ влияния характеристик фотосенсоров камер на качество восстановления изображений с цифровых голограмм и разработка методов повышения качества представляются весьма актуальными и практически важными.

Цель работы и основные задачи исследования.

Целыо работы являлось получение расчётных и экспериментальных оценок влияния характеристик фотосенсоров регистрирующих камер на качество восстановления изображений с цифровых голограмм Френеля.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Получение расчётных оценок предельных параметров объектов при регистрации их цифровыми голограммами Френеля, в зависимости от количества и размера пикселей фотосенсоров камер. Сравнение существующих численных методов восстановления изображений и методов улучшения качества восстановленных изображений.

2. Создание экспериментальной установки и запись цифровых голограмм Френеля. Экспериментальная проверка полученных расчётных оценок предельных параметров регистрируемых объектов, результатов сравнения методов численного восстановления и улучшения качества восстановления изображений с цифровых голограмм.

3. Измерение радиометрических характеристик, временных и пространственных шумов фотои видеокамер различного типа для оценки их влияния на качество восстановления изображений с цифровых голограмм. Построение численной модели цифровой голограммы с учётом реальных характеристик фотосенсоров.

4. Анализ влияния шумовых и радиометрических характеристик камер на отношение сигнал/шум в цифровых голограммах и восстановленных изображениях, получение расчётных зависимостей и экспериментальных оценок. Исследование возможностей увеличения отношения сигнал/шум при использовании одиночной и многократной экспозиций.

Методы исследования.

Поставленные в работе задачи решались численным моделированием и экспериментальным исследованием, а также их комплексным сочетанием. Аналитические задачи решались главным образом в рамках скалярной теории дифракции в приближении Френеля. Экспериментальное исследование включает в себя создание установок по измерению шумовых и радиометрических характеристик фотои видеокамер, по записи цифровых голограмм и оптическому восстановлению изображений с них, проведение исследований и сравнение полученных результатов с результатами численного моделирования.

Научная новизна.

1. Впервые систематизированы, дополнены и подтверждены как численным моделированием, так и экспериментально расчётные оценки, характеризующие качество изображений, восстановленных с цифровых голограмм Френеля, в зависимости от количества и размеров элементов фотосенсора.

2. Предложены и экспериментально подтверждены методики, позволяющие одновременно измерять временные шумы для всех уровней сигнала фотосенсора, снижать требования к однородности освещения при измерении пространственных шумов.

3. Предложена и экспериментально апробирована модификация методики нахождения портрета световых пространственных шумов фотосенсора, использующая итерационный способ создания освещения, адаптивного к конструкции анализируемой камеры, и улучшенный метод удаления темновых шумов.

4. Впервые получены аналитические выражения для зависимостей отношений сигнал/шум в цифровых голограммах Френеля и восстановленных с них изображениях диффузных объектов от шумов и радиометрических характеристик регистрирующих фотосенсоров.

5. Предложены и экспериментально обоснованы два метода увеличения отношения сигнал/шум в регистрируемых световых распределениях и в восстановленных с цифровых голограмм изображениях, основанные на:

• пространственном усреднении по соседним пикселям фотосенсора,.

• компенсации пространственных шумов с помощью их портретов.

Научная и практическая значимость.

Применённые в работе подходы и полученные результаты могут быть использованы:

•для оценки качества восстановления изображений с цифровых голограмм, достижимого при использовании конкретной камеры;

•для обоснованного выбора типа цифровой камеры при решении научных и прикладных задач с использованием цифровой голографии;

•для анализа типов цифровых голограмм, отличных от голограмм Френеля, таких как Фурье, сфокусированных изображений и других;

• в качестве основы для оценки сигнал/шум в случае регистрации на цифровые голограммы объектов, отличных от диффузных.

2. Разработанные методы увеличения отношения сигнал/шум могут быть использованы не только для повышения качества восстановленных с цифровых голограмм изображений, но и при регистрации произвольных пространственных световых распределений, в том числе сфокусированных изображений.

3. Разработанные и экспериментально апробированные методики измерения временных и пространственных шумов фотои видеокамер позволяют оперативно и на доступном оборудовании измерять характеристики камер различного назначения: от веби бытовых камер до научных измерительных камер для оценки возможностей их применения в научных и прикладных задачах, включая использование в оптико-цифровых системах отображения и обработки информации.

4. Методика измерения портрета световых пространственных шумов фотои видеокамер может быть использована в различных прикладных задачах, включая охрану авторских прав, для идентификации источников снимков (цифровых камер) и анализа достоверности изображений.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Совокупность экспериментально подтверждённых расчётных оценок предельных значений размеров и пространственного разрешения объектов, регистрируемых цифровой голограммой Френеля, в зависимости от количества и размеров элементов фотосенсора.

2. Разработанная и экспериментально проверенная на камерах четырёх различных типов методика измерения временных шумов фотосенсоров. Методика позволяет по результатам съёмки одной сцены измерять временные шумы для всех уровней сигнала фотосенсора при использовании только 2 кадров сцены.

3. Разработка методики получения портрета световых пространственных шумов фотосенсора камеры. Экспериментально показана возможность её использования для идентификации камеры как источника снимков и получено минимальное отношение коэффициентов корреляции свой снимок / чужой снимок 60.

4. Для цифровых голограмм Френеля получены и подтверждены аналитические зависимости среднего отношения сигнал/шум в восстановленных изображениях диффузных объектов от размеров объектов и характеристик фотосенсора. Показано, что сигнал/шум не зависит от распределения интенсивности по объекту, а только от площади объекта.

5. Разработка и экспериментальное обоснование метода увеличения отношения сигнал/шум в восстановленных с цифровых голограмм изображениях за счёт компенсации пространственных шумов с помощью их портретов. Метод обеспечивает увеличение отношения сигнал/шум до 10 раз при компенсации измеренными портретами.

Личный вклад.

Все результаты получены лично автором работы или в соавторстве при его непосредственном участии.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационного исследования были представлены на международных конференциях IS&T/SPIE Electronic Imaging (Берлингейм, США, 2012), SPIE Photonics Europe (Брюссель, Бельгия, 2012), Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Optoand Microelectronics (Москва-Самара, 2011) — 7, 8, 9 Международных конференциях «ГОЛОЭКСПО» (Москва, 2010; Минск, 2011; Суздаль, 2012) — VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2011» (Санкт-Петербург, 2011) — Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики-2012» (Санкт-Петербург, 2012) — I и II Всероссийских конференциях по фотонике и информационной оптике (Москва, 2012, 2013) — XLVI Всероссийской научной конференции по проблемам математики, информатики, физики и химии (Москва, 2010) — XIII, XIV, XV и XVI конференциях «Молодежь и наука» (Москва, 2010;2013) — Научных сессиях НИЯУ МИФИ-2010, 2011 (Москва, 2010, 2011) — XLVII и XLVIII Всероссийских конференциях по проблемам физики частиц, физики плазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники (Москва, 2011, 2012) — IX и X Всероссийских молодежных Самарских конкурсах-конференциях научных работ по оптике и лазерной физике (Самара, 2011, 2012) — 2-й Школе-семинаре «Фотоника нанои микроструктур» (Владивосток, 2013).

Публикации по теме работы.

По теме работы опубликовано 26 печатных работ, среди них 4 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК, 10 — в трудах международных конференций, 12 — в трудах всероссийских конференций.

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 126 страниц, включая 54 рисунка, 8 таблиц и список литературы из 82 наименований.

Основные результаты и выводы по главе 4.

1. Разработана и реализована численная модель цифровой голограммы, учитывающая шумовые и радиометрические характеристики регистрирующей камеры. Для численных экспериментов использовались измеренные характеристики серийных камер четырёх различных типов.

2. Получены расчётные оценки величины отношения сигнал/шум (ОСШ) в регистрируемых световых распределениях, в том числе цифровых голограммах, при однократной и многократной экспозициях. Результаты, полученные при численном моделировании и экспериментальных проверках с использованием цифровой камеры MegaPlus II ESI 1000, хорошо согласуются с расчётными оценками.

3. С использованием статистического распределения комплексных амплитуд объектной волны в плоскости голограммы как суммы случайных фазоров, получены аналитические зависимости величины ОСШ в восстановленных с цифровых голограмм изображениях диффузных объектов от их размеров и характеристик фотосенсора. Показано, что при заданном соотношении средней интенсивности объектного и опорного пучков и полном использовании линейного динамического диапазона фотосенсора, ОСШ зависит только от шумов камеры и площади регистрируемого объекта, нормированной на площадь восстановленного поля.

4. Проведены численные эксперименты по оценке качества восстановления изображений объектов с цифровых голограмм и проверке полученной аналитической зависимости для ОСШ. При моделировании использовались диффузные объекты, отличающиеся по линейным размерам до 8 раз, расстояние между объектом и голограммой варьировалось в 25 раз, число отсчётов голограмм составляло 1024×1024. При регистрации цифровых голограмм интенсивность опорной волны считалась равной средней интенсивности объектной волны. В результате подтверждены предположения о том, что в случае диффузных объектов ОСШ для интенсивности восстановленных изображений не зависит ни от расстояния между объектом и голограммой, ни от конкретного вида распределения интенсивности по объекту. Показано, что ОСШ в восстановленных изображениях определяются только шумовыми характеристиками камеры и величиной площади объекта, отнесённой к площади восстановленного поля. Результаты численных экспериментов согласуются с полученной аналитической зависимостью для ОСШ. Проведено качественное сравнение результатов численного моделирования с характеристиками реальных цифровых голограмм.

5. Проанализирована возможность использования пространственного усреднения для увеличения ОСШ в регистрируемых световых распределениях. Получены расчётные оценки. Результаты по подавлению как временных, так и пространственных шумов, полученные при численном моделировании и экспериментальных проверках с использованием камер MegaPlus II ESI 1000 и Canon EOS 400D, хорошо согласуются с расчётными оценками. Так, при использовании одиночной экспозиции с пространственным усреднением по 16 пикселям экспериментально получено увеличение ОСШ в 3,9 ± 0,4 раза (при расчётном максимальном 4).

6. Получены расчётные оценки увеличения ОСШ в изображениях, восстановленных с цифровых голограмм, при использовании пространственного усреднения как при однократной, так и многократной экспозициях. Результаты, полученные при численном моделировании с использованием камеры MegaPlus II ES 11 000, хорошо согласуются с расчётными оценками. Так, при использовании пространственного усреднения по 4 пикселям с многократной экспозицией максимальное увеличение ОСШ достигает 5 раз по сравнению с одиночной экспозицией голограмм и 2 раз по сравнению с многократной.

7. Для определения возможностей увеличения ОСШ при регистрации световых распределений за счёт компенсации пространственных шумов с помощью портретов шумов, получены расчётные оценки ОСШ для случаев однократной и многократной экспозиций. Результаты проведённого численного моделирования хорошо согласуются с расчётными оценками. Показано, что использование компенсации пространственных шумов в комбинации многократной экспозицией может дать значительное увеличение ОСШ. Так, при компенсации приближёнными (относительная погрешность 20%) портретами пространственных шумов максимальное увеличение ОСШ может составлять до 10 раз по сравнению с одиночным снимком. Результаты экспериментов с использованием портрета темновых пространственных шумов фотосенсора камеры MegaPlus II ES 11 000 хорошо согласуются с результатами расчётных оценок.

8. Получены расчётные оценки увеличения ОСШ в изображениях, восстановленных с цифровых голограмм, при использовании компенсации пространственных шумов с помощью их портретов. Оценки выполнены для случаев однократной и многократной экспозиции. Результаты, полученные при численном моделировании с использованием характеристик камеры Canon EOS 400D, хорошо согласуются с расчётными оценками. При компенсации точно измеренными портретами пространственных шумов с многократной экспозицией голограммы, можно ожидать увеличения ОСШ до 50 раз по сравнению с однократной экспозицией голограмм и до 20 раз по сравнению со случаем подавления только временных шумов. При компенсации приближёнными (относительная погрешность 20%) портретами пространственных шумов максимальное увеличение ОСШ может составлять до 10 раз по сравнению с голограммой, полученной однократной экспозицией.

Заключение

.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Для основных схем записи цифровых голограмм Френеля систематизированы и дополнены расчётные оценки предельных значений поперечного и продольного размеров и пространственного разрешения регистрируемых объектов, характеризующих качество восстановленных изображений, в зависимости от количества и размеров элементов фотосенсора. Расчётные оценки подтверждены экспериментально.

2. Численным моделированием и экспериментально выполнено сравнение различных методов численного восстановления изображений с цифровых голограмм Френеля и численных методов подавления неинформативных порядков дифракции.

3. IIa экспериментальной установке, созданной для оценки качества восстановленных изображений, выполнена запись цифровых голограмм Френеля (с числом отсчётов до 2048×2048) «плоских» объектов и объёмных сцен глубиной до 480 мм. Проведены эксперименты по динамическому (2 кадра/с) отображению объёмных сцен с помощью видеопоследовательностей цифровых голограмм численно и оптически. IIa модифицированном варианте установки осуществлена запись цифровых голограмм при монохроматическом пространственно-некогерентном освещении.

4. Разработаны и экспериментально проверены методики для измерения характеристик камер. Методика измерения временных шумов основана на съёмке 2 и более кадров одной сцены, отображение которой имеет диапазон яркостей, больше динамического диапазона сенсора. Методика измерения пространственных шумов, основанная на регистрации темповых кадров и световых при освещении квазиоднородным излучением, отличается пониженными требованиями к пространственной однородности освещения, что позволило измерить неоднородности фоточувствительности, в 3+6 раз меньшие неоднородности используемого освещения.

5. Разработана оригинальная модификация методики нахождения портрета световых пространственных шумов фотосенсора камеры. Методику отличает способ создания освещения, адаптивный к конструкции камеры, и улучшенный метод удаления темповых шумов. С её помощью получен портрет световых пространственных шумов (относительная погрешность 15+20%) для экземпляра камеры Canon EOS 400D. С использованием измеренного портрета проведён эксперимент по идентификации экземпляра камеры по 9 снимкам, сделанным различными камерами. Минимальное отношение коэффициентов корреляции свой снимок / чужой снимок составило 60.

6. Для получения количественных оценок ОСШ в изображениях, восстановленных с цифровых голограмм, измерены шумовые и радиометрические характеристики камер четырёх различных типов. Все параметры, из числа предоставляемых производителями камер, совпадали с полученными в пределах погрешности измерений.

7. Показано, что при заданном соотношении средней интенсивности объектного и опорного пучков и полном использовании линейного динамического диапазона фотосенсора, ОСШ в изображениях, восстановленных с цифровых голограмм, зависит только от шумов камеры и площади регистрируемого диффузного объекта, нормированной на площадь восстановленного поля. Результаты численных экспериментов согласуются с полученной аналитической зависимостью. Проведено качественное сравнение результатов моделирования с характеристиками реальных цифровых голограмм, записанных камерами Ме§ аР1из II ЕЭ11 000 и Vatec ЬСЬ-902С.

8. Предложено использование пространственного усреднения для увеличения ОСШ в регистрируемых световых распределениях и восстановленных изображениях. Получены расчётные оценки и выполнена экспериментальная проверка их обоснованности. Так, при использовании одиночной экспозиции с пространственным усреднением по 16 пикселям экспериментально получено увеличение ОСШ в регистрируемых световых распределениях в 3,9 ± 0,4 раза (при расчётном 4).

9. Разработан метод увеличения ОСШ в регистрируемых световых распределениях и в восстановленных с голограмм изображениях за счёт компенсации пространственных шумов с помощью их портретов. Получены расчётные оценки увеличения ОСШ и выполнена экспериментальная проверка их обоснованности.

Работа выполнена в лаборатории информационной оптики и голографии кафедры лазерной физики Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ».

В заключение автор благодарит своего научного руководителя — профессора Евтихиева Николая Николаевича и руководителя лаборатории, доцента Старикова Сергея Николаевичавыражает благодарность её сотрудникам: Родину Владиславу Геннадьевичу и Краснову Виталию Вячеславовичу за помощь и всем сотрудникам и преподавателям кафедры лазерной физики и 1ГИЯУ МИФИ за поддержку.

Показать весь текст

Список литературы

  1. JuptnerW., SchnarsU. Digital Holography: Digital Hologram Recording, Numerical Reconstruction, and Related Techniques. Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2005. 174 p.
  2. Schnars U., Juptner W. Digital recording and numerical reconstruction of holograms // Measurement Science and Technology. 2002. Vol. 13, No. 9. P. R85-R101.
  3. Demetrakopoulos Т., Mittra R. Digital and optical reconstruction of images from suboptical diffraction patterns //Applied Optics. 1974. Vol. 13, No. 3. P. 665−670.
  4. Bennink R.S., Powell A.K., Fish D.A. An efficient method of implementing near-field diffraction in computer-generated hologram design // Optics Communications. 1997. Vol. 141. P. 194−202.
  5. Mas D. et al.]. Fast numerical calculation of Fresnel patterns in convergent systems // Optics Communications. 2003. Vol. 227, No. 4−6. P. 245−258.
  6. Restrepo J.F., Garcia-Sucerquia J. Magnified reconstruction of digitally recorded holograms by Fresnel-Bluestein transform // Applied Optics. 2010. Vol. 49, No. 33. P. 64 306 435.
  7. Marinho F.J., Bernardo L.M. Numerical calculation of fractional Fourier transforms with a single fast-Fourier-transform algorithm // Journal of the Optical Society of America A. 1998. No. 15. P. 2111−2116.
  8. Li J. etal.]. Digital holographic reconstruction of large object using a convolution approach and adjustable magnification // Optics Letters. 2009. No. 34. P. 572−574.
  9. Liebling M, Blu Т., Unser M. Fresnelet: new multiresolution wavelet bases for digital holography // IEEE Transactions on Image Processing. 2003. No. 12. P. 29−43.
  10. Yu L., Kim M.K. Wavelength-scanning digital interference holography for tomographic three-dimensional imaging by use of the angular spectrum method // Optics Letters. 2005. No. 30. P. 2092−2094.
  11. Stern A., Javidi B. Analysis of practical sampling and reconstruction from Fresnel fields // Optical Engineering. 2004. No. 43. P. 239−250.
  12. VerrierN., Atlan M. Off-axis digital hologram reconstruction: some practical considerations // Applied Optics. 2011. Vol. 50, No. 34. P. 136.
  13. Yamaguchi I., Zhang T. Phase-shifting digital holography // Optics Letters. 1997. Vol. 22, No. 16. P. 1268−1270.
  14. Suzuki H. etal.]. Dynamic recording of a digital hologram with single exposure by a wave-splitting phase-shifting method // Optical Review. 2010. No. 17. P. 176−180.
  15. Martinez-Leon L. et al.]. Single-shot digital holography by use of the fractional Talbot effect // Optics Express. 2009. No. 17. P. 12 900−12 909.
  16. Nomura T., Imbe M. Single-exposure phase-shifting digital holography using a random-phase reference wave // Optics Letters. 2010. No. 35. P. 2281−2283.
  17. CucheE., MarquetP., Depeursinge C. Spatial filtering for zero-order and twin-image elimination in digital off-axis holography // Applied Optics. 2000. Vol. 39, No 23. P. 40 704 075.
  18. Rincon O.J. etal.]. Novel method for automatic filtering in the Fourier space applied to digital hologram reconstruction // Proceedings of SPIE. 2011. Vol. 8082. P. 80822E.
  19. Kreis T., Juptner W. Suppression of the dc term in digital holography // Optical Engineering. 1997. Vol. 36, No. 8. P. 2357−2360.
  20. Lie C. et al.]. Elimination of zero-order diffraction in digital holography // Optical Engineering. 2002. Vol. 41, No. 10. P. 2434−2437.
  21. Ma L. etal.]. Elimination of zero-order diffraction and conjugate image in off-axis digital holography // Journal of Modern Optics. 2009. Vol. 56, No. 21. P. 2377−2383.
  22. Zhu M. Electrical Engineering and Control. Berlin-Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. P.575−582.
  23. Pavilion N. et al.]. Suppression of the zero-order term in off-axis digital holography through nonlinear filtering // Applied Optics. 2009. Vol. 48, No. 34. P. 186−195.
  24. Pan F. et al.]. Coherent noise reduction in digital holographic phase contrast microscopy by slightly shifting object // Optics Express. 2011. No. 19. P. 3862−3869.
  25. Rostami Y., Abolhassani M. Speckle noise reduction by changing sampling size in digital holography // Proceedings of SPIE. 2012. Vol. 8413. P. 84130M.
  26. Rong L. et al.]. Speckle noise reduction in digital holography by use of multiple polarization holograms // Chinese Optics Letters. 2010. No. 8. P. 653−655.
  27. Garcia-Sucerquia J., Ramirez J.A.H., Prieto D.V. Reduction of speckle noise in digital holography by using digital image processing // Optik. Vol. 116, No. 1. Pp. 44−48.
  28. Uzan A., Rivenson Y., Stern A. Speckle denoising in digital holography by nonlocal means filtering//Applied Optics. 2013. Vol. 52, No. 1. P. A195-A200.
  29. А. Д., Стаселько Д. И. Рассеяния света галоидосеребряными фотоматериалами для голографии. Индикатрисы рассеяния света на микрокристаллах и поверхностном рельефе эмульсии // Оптика и спектроскопия. 1986. Т. 61, № 3. С. 591— 597.
  30. Д.И., Чураев A.J1. Рассеяния света галоидосеребряными материалами для голографии. Влияние голограмм шумов и спеклограмм // Оптика и спектроскопия. 1986. Т. 61, № 4. С. 828−834.
  31. Mills G.A., Yamaguchi I. Effects of quantization in phase-shifting digital holography // Applied Optics. 2005. Vol. 44, No. 7. P. 1216−1225.
  32. PandeyN., Hennelly B. Quantization noise and its reduction in lensless Fourier digital holography // Applied Optics. 2011. Vol. 50, No. 7. P. B58-B70.
  33. Charriere F. etal.]. Shot noise influence in reconstructed phase image SNR in digital holographic microscopy // Applied Optics. 2006. Vol. 45, No. 29. P. 7667−7673.
  34. Charriere F. etal.]. Influence of shot noise on phase measurement accuracy in digital holographic microscopy // Optics Express. 2007. Vol. 15, No. 4. P. 8818−8831.
  35. Joud F. et al.]. Shot Noise in Digital Holography / Information Optics and Photonics: Algorithms, Systems, and Applications. New York-Dordrecht-Heidelberg-London: Springer Science+Business Media. 2010. P. 163−175.
  36. M.A., Мерзляков H.C., Ярославский Л. П. Опыты по цифровой голографии // Автометрия. 1972. № 6. С. 30−40.
  37. Goodman J.W., Lawrence R.W. Digital image formation from electronically detected holograms // Applied Physics Letters. 1967. Vol. 11, No. 3. P. 77−79.
  38. Juptner W., Schnars U. Principles of direct holography for interferometry // Proceedings of the 2nd International Workshop on Automatic Processing of Fringe Patterns. Berlin, 1993. P. 115−120.
  39. Pedrini G. et al.]. Shape measurement of microscopic structures using digital holograms // Optics Communications. 1999. Vol. 164. No. 4. P. 257−268.
  40. Seebacher S. et al.]. The determination of material parameters of microcomponents using digital holography// Optics and Lasers in Engineering. 2001. Vol. 36, No. 2. P. 103−126.
  41. Yamaguchi I. etal.]. Image formation in phase-shifting digital holography and applications to microscopy//Applied Optics. 2001. Vol. 40, No. 34. P. 6177−6186.
  42. Choi Y.-S, Lee S.-J. Three-dimensional volumetric measurement of red blood cell motion using digital holographic microscopy // Applied Optics. 2009. Vol.48, No. 16. P.2983−2990.
  43. Javidi В., Tajahuerce E. Three-dimensional object recognition by use of digital holography // Optics Letters. 2000. Vol. 25, No. 9. P. 610−612.
  44. Bertaux N. et al.]. Real-time three-dimensional object reconstruction by use of a phase-encoded digital hologram //Applied Optics. 2002. Vol. 41, No. 29. P. 6187−6192.
  45. Ferraro P. et al.]. Optical reconstruction of digital holograms recorded at 10.6 |шк route for 3D imaging at long infrared wavelengths // Optics Letters. 2010. Vol. 35, No. 12. P. 21 122 114.
  46. Poon T.C. Digital Holography and Three-Dimensional Display. Principles and Applications. N. Y.: Springer US, 2006. 430 p.
  47. C.H., Черёмхии П. А., Краснов B.B. Запись и численное восстановление цифровых голограмм Френеля // Вестник РУДН, Серия «Математика. Информатика. Физика». 2011. № 4. С. 113−123.
  48. Е.Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1986. 511 с.
  49. Evtikhiev N.N., Starikov S.N., Cheryomkhin Р.А. et al.]. Numerical and optical reconstruction of digital off-axis Fresnel holograms // Proceedings of SPIE. 2012. Vol. 8429. P. 84291M.
  50. C.H., Черёмхии П. А. Методы восстановления цифровых голограмм Френеля // Сборник трудов научно-технической конференции-семинара по фотонике и информационной оптике. М., 2011. С. 212−213.
  51. Fienup J.R. Invariant error metrics for image reconstruction // Applied Optics. 1997. Vol. 36, No. 32. P. 8352−8357.
  52. Г. П., Яновский А. В. Минимизация спекл-шума при записи стереоголограмм // Сборник трудов Всероссийской конференции по фотопике и информационной оптике. М., 2012. С. 208−210.
  53. ШтанькоА.Е. Пекогерентная цифровая голография // Сборник трудов Научной сессии МИФИ-2004. М., 2004. С. 243−244.
  54. Rosen J. et al.]. A Review of Incoherent Digital Fresnel Holography // Journal of Holography and Speckle. 2009. Vol. 5. P. 1−17.
  55. Kohler C. et al.]. Hologram optimization for SLM-based reconstruction with regard to polarization effects // Optics Express. 2008. Vol. 16, No. 19. P. 14 853−14 861.
  56. Nakayama H. et al.]. Real-time color electroholography using multiple graphics processing units and multiple high-definition liquid-crystal display panels // Applied Optics. 2010. Vol. 49, No. 31. P. 5993−5996.
  57. Trujillo C., Restrepo J.F., Garcia-Sucerquia J. Real-time numerical reconstruction of digitally recorded holograms // Proceedings of SPIE. 2011. No. 8011. P. 80116T.
  58. И.Н. Перспективы развития жидкокристаллических дисплеев // Сборник трудов научно-технической конференции-семинара по фотонике и информационной оптике. М., 2011. С. 12−13.
  59. П.А., Стариков C.II. Численное и оптическое восстановление цифровых голограмм Френеля внеосевого типа // Сборник трудов VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «0птика-2011». СПб., 2011 С. 98−100.
  60. Gerchberg R.W., Saxton W.O. A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures // Optik. 1972. Vol. 75, No. 2. P. 237−246.
  61. СойферВ.А. и др.]. Дифракционная компьютерная оптика. М: Физматлит, 2007. 736 с.
  62. JanesickJ. Scientific Charge-Coupled Devices. Bellingham-Washington: SPIE Press, 2001.920 р.
  63. Nakamura J. Image sensors and signal processing for digital still cameras. Boca Raton, FL: CRC Press, 2006. 322 p.
  64. The European Machine Vision Association. EMVA Standard 1288. Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras Электронный ресурс]. 2010. URL: http://www.emva.Org/cms/upload/Standards/Stadard1288/EMVA1288−3.0.pdf (дата обращения 14.03.2013).
  65. Grossberg M.D., Nayar S.K. Determining the camera response from images: What is knowable? // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 2003. Vol. 25, No. 11. P. 1455−1467.
  66. Э.А., Стариков C.H., Черёмхин П. А. и др.]. Исследование характеристик матричных фоторегистраторов для записи цифровых голограмм // Сборник трудов 7 Международной конференции «ГОЛОЭКСПО-2010». М., 2010. С.306−310.
  67. Evtikhiev N.N., Starikov S.N., Cheryomkhin Р.А. et al.]. Measurement of noises and modulation transfer function of cameras used in optical-digital correlators // Proceedings of SPIE. 2012. Vol. 8301. P. 830 113.
  68. Coffin D. Decoding raw digital photos in Linux Электронный ресурс]. 2010. URL: http://www.cybercom.net/~dcoffin/dcraw (дата обращения 14.03.2013).
  69. Cheryomkhin P.A., Evtikhiev N.N., Starikov S.N. Development of technique for measurements of noises and radiometric function of photo and video camera // Proceedings of APCOM-2011. Moscow Samara, 2011. P. MOSP12.
  70. Healey G.E., Kondepudy R. Radiometric CCD camera calibration and noise estimation // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 1994. Vol. 16, No. 3. P. 267−276.
  71. Foi A. et al.] Noise measurement for raw-data of digital imaging sensors by automatic segmentation of non-uniform targets // IEEE Sensors Journal. 2007. Vol. 7, No. 10. P. 14 561 461.
  72. H.H., Стариков C.II., Черёмхин П. А. Оценка влияния динамического диапазона и шумов регистрирующих камер на качество цифровых голограмм // Оптический журнал. 2013. Т. 80, № 5. С. 53−64.
  73. Lukas J, Fridrich J., Goljan M. Digital Camera Identification from Sensor Pattern Noise // IEEE Transactions on Information Security and Forensics. 2006. Vol. 1, No. 2. P. 205−214.
  74. Lukas J, Fridrich J., Goljan M. Detecting Digital Image Forgeries Using Sensor Pattern Noise // Proceedings of SPIE. 2006. Vol. 6072. P.0Y1−0Y11.
  75. В.В., Стариков С. Н., Черёмхин П. А. и др.]. Оценка количества разрешимых градаций сигнала цифровых камер // Сборник трудов II Всероссийской конференции по фотонике и информационной оптике. М., 2013. С. 281−282.
  76. Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М.: Мир, 1973. 698 с.
  77. Н.Н., Стариков С. Н., Черёмхин П. А. и др.]. Увеличение отношения сигнал/шум за счёт пространственного усреднения при регистрации изображений // Вестник РУДН, Серия «Математика. Информатика. Физика». 2012. № 4. С. 122−136.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!