Оценка чувствительности и разрешающей способности телевизионных датчиков на ПЗС-матрицах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Зайцева Екатерина Викторовна

• Зайцева Екатерина Викторовна
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Зайцева Екатерина Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ДАТЧИКОВ

1.1 Методы и критерии оценки чувствительности

1.2 Расчетные модели для оценки чувствительности

1.3 Постановка задач исследования

2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ДАТЧИКОВ НА ПЗС

2.1 Уточнение расчета освещенности изображения

2.2 Моделирование процесса образования зарядов на элементе ПЗС

2.3 Модель определения пороговой освещённости изображения

2.4 Основные результаты главы

3 ПОЛУЧЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДАТЧИКОВ НА ПЗС

3.1 Аппроксимация функции распределения яркости в кружке рассеяния, создаваемого безаберрационным объективом

3.2 Аппроксимации усредненных кривых спектральных чувствительностей глаза

3.3 Основные результаты главы

4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ДАТЧИКОВ

4.1 Модуль для измерения разрешающей способности системы

4.2 Модуль для измерения распределения энергии

4.3 Модуль для измерения характеристик шумов ТВ-датчиков

4.4 Модуль для измерения координатных искажений

4.5 Основные результаты главы

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ДАТЧИКОВ НА ПЗС-МАТРИЦАХ

5.1 Результаты испытаний экспериментального макета активно-импульсной телевизионной системы

5.2 Оценка разрешающей способности экспериментального макета активно-импульсной телевизионной системы

5.3 Оценка разрешающей способности в цифровой фото- и видеорегистрирующей аппаратуре

5.4 Основные результаты главы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка чувствительности и разрешающей способности телевизионных датчиков на ПЗС-матрицах»

Актуальность темы исследования

Одной из современных тенденций в телевидении является его срастание с компьютерной техникой. Оно проявилось в рождении твердотельного телевидения как «связки» приборов с зарядовой связью (ПЗС) и микропроцессоров. Изобретение многоэлементных твердотельных фотоприёмников вызвало революцию в телевидении. Использование десятилетиями отлаженной технологии производства полупроводниковых приборов обеспечило высокую надёжность, стабильность параметров и низкую цену светочувствительных матриц.

В результате совершенствования технологии матричных ПЗС они применяются в самых разнообразных приложениях - от простых задач наблюдения в стационарных условиях нормального освещения, типичного для офисных систем безопасности, до астрономических наблюдений при большом времени накопления, обеспечиваемого глубоким охлаждением матриц ПЗС. Важным направлением работ в области создания телекамер на матричных ПЗС является обеспечение наблюдений при малых контрастах изображения, например, под водой или при большой динамике сюжета.

С рождения твердотельного телевидения, при разработке фотоприёмных матриц и телекамер на их основе, идёт борьба с помехами, а также за повышение чувствительности матриц и чёткости изображения. Опубликовано много работ по структуре, параметрам и возможностям телекамер. В.К. Зворыкин описал с позиций зонной теории полупроводников выбор материалов передающих телевизионных трубок, в частности по параметрам красной границы фотоэффекта, и подчёркивал важность учёта конечных значений разрешающей способности зрения по полю кадра и по времени. Исследованиям чувствительности и разрешающей способности посвящены работы таких специалистов как В.В. Березин, Р.Е. Быков, Ф. Ван де Виле, А. А. Гоголь, В.П. Дворкович, П. Йесперс, С.И. Катаев, М.Г. Князев, А.А. Манцветов, Ф.П. Пресс, Я.А. Рыфтин, В.Ф. Самойлов, М. Уайт, Н.Е. Уваров, А.А. Умбиталиев, П.В. Шмаков, А.К. Цыцулин, Ю.Г. Якушенков.

Однако ряд важных вопросов в обозначенном выше направлении остаётся нерассмотренным. Во многих работах чувствительность рассматривается в основном качественно, отсутствуют строгие определения и выводы соответствующих выражений, нет примеров расчета для конкретных матричных ПЗС и телевизионных камер на их основе. В частности, в измерительном телевидении требуется оценивать чувствительность при малых расстояниях от объектива до объекта и заданных уровнях фона и цветовой температуры, необходимо разработать инструментальные средства, не имеющие жестких требований к поступающему входному сигналу, но обладающие приемлемой точностью измерений. Выполнение этих работ актуально для развития телевидения.

Цель и задачи диссертационной работы

Цель диссертационной работы - совершенствование методов оценки чувствительности и разрешающей способности телевизионных датчиков на ПЗС-матрицах. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих определений чувствительности датчика на ПЗС-матрице.

2. Уточнить выражения для определения интегральной, спектральной, пороговой и контрастной чувствительностей.

3. Разработать программные модули для измерения разрешающей способности системы, распределения энергии, характеристик шумов телевизионных датчиков и координатных искажений.

Научная новизна

1. Получены формулы для расчёта освещённости изображения и числа сигнальных электронов в потенциальной яме, использующие определение телесного угла и формулу зависимости телесного угла от плоского.

2. Предложена модель определения пороговой освещённости изображения, использующая зависимость среднего квадратического отклонения шумовых электронов на уровне сигнала от уровня фона и учитывающая шумы источника светового сигнала.

3. Получена формула для определения коэффициента оптической передачи по яркости, учитывающего потери при согласовании ЭОП и телевизионного датчика, использующая определение телесного угла и формулу зависимости телесного угла от плоского.

4. Предложены аппроксимации гауссоидами усредненных кривых видности дневного и ночного зрения, полученные из условия равенства площадей под аппроксимируемой кривой и гауссоидой.

Теоретическая значимость

1. Полученные формулы для расчёта освещённости изображения и числа сигнальных электронов в потенциальной яме пикселя позволяют расширить границы применения оценки интегральной и спектральной чувствительностей.

2. Установлена связь пороговой освещённости изображения с уровнем фона и шумами источника светового сигнала.

3. Получены аналитические модели для аппроксимации кривых видности дневного и ночного зрения.

Практическая значимость работы

1. Использование полученных формул для расчёта освещённости изображения, числа сигнальных электронов в потенциальной яме пикселя, коэффициента оптической передачи по яркости и предложенной модели для определения пороговой освещённости изображения уменьшает погрешность оценки чувствительности при решении задач измерительного телевидения.

2. Предложенные аппроксимации гауссоидами усредненных кривых видности дневного и ночного зрения позволяют упростить и ускорить оценки пороговой чувствительности.

3. Разработанные программные модули для измерения разрешающей способности, распределения энергии, характеристик шумов и координатных искажений телевизионных датчиков позволили усовершенствовать учебный процесс.

Методология и методы исследования

В работе применены методы экспериментальной физики, цифровой обработки изображений, математической статистики, оптики и геометрии.

Достоверность результатов подтверждена построением формул и зависимостей на известных законах оптики и геометрии, принципах цифровой обработки изображений, согласованностью с опубликованными экспериментальными данными, сравнением с результатами, полученными с помощью проверенного программного обеспечения, а также использованием результатов на практике.

Положения, выносимые на защиту

1. Использование зависимости телесного угла от плоского в формулах для расчёта освещённости изображения и числа сигнальных электронов в потенциальной яме пикселя позволяет уменьшить погрешность оценки чувствительности: на 17,2% по сравнению с наиболее точными из известных формул при радиусе входного зрачка объектива равном расстоянию от объектива до объекта.

2. Предложенная модель определения пороговой освещённости изображения позволяет более точно оценить пороговую чувствительность: при уровнях фона 40 и 80 электронов пороговая освещённость увеличивается в 2 и 3 раза по сравнению с зависимостями при уровне фона равном 0.

3. Предложенные аппроксимации гауссоидами усредненных кривых видности дневного и ночного зрения обеспечивают относительную погрешность менее 1,3% при расчете освещённости оптического изображения.

Использование результатов исследований

1. «Исследование и разработка научных основ построения и создания информационных телевизионно-вычислительных систем контроля и наблюдения», грант РФФИ 06-07-96901, 2006 г.

2 «Развитие методов кратно масштабной обработки изображений в ТАС при определении пространственных координат объектов», грант РФФИ 07-08-00154, 2007 г.

3. «Исследование процессов формирования и контроля изображений радужной оболочки и конъюнктивы глаз и разработка на их основе телевизионных средств диагностики и идентификации», грант РФФИ 11-0798012, 2012 г.

4. «Исследование и разработка методов и средств повышения качества изображений в активно-импульсных телевизионно-вычислительных системах при пониженной прозрачности среды распространения излучения и наличии оптических помех» (код проекта 769), в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России 2014/225.

Апробация результатов

Результаты исследований автора позволили подготовить заявки и победить в конкурсах: грант РФФИ 11-07-98012, базовая часть государственного задания Минобрнауки России 2014/225.

Результаты исследований доложены и обсуждены на 3 всероссийских и 9 международных конференциях, симпозиумах, школах и семинарах: Международной конференции «Телевидение: передача и обработка изображений», 2009, 2011, 2012, 2014 гг. (г. Санкт-Петербург); Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации», 2008, 2010 гг. (г. Курск); Международной научно-практической конференции, «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири», 2006, 2007 и 2009 гг. (г. Томск); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР», 2006, 2007 и 2010 гг. (г. Томск).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 25 работ (6 работ без соавторов):

Публикация, издание, объём Количество

Статья, журнал из перечня ВАК (3-17 с.) 7

Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 4

Полный доклад, Труды отечественных конференций (2-4 с.) 14

ИТОГО: 25

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, планировании и проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных данных, формулировании выводов, подаче заявок на получение свидетельств о регистрации программы для ЭВМ, подготовке к публикации докладов и статей. Все результаты получены автором лично или совместно с соавторами при его непосредственном участии.

Краткое содержание работы. Во введении представлена краткая характеристика работы. В гл. 1 выполнен обзор актуальных задач. В гл. 2 представлены исследования по совершенствованию методов оценки чувствительности телевизионных датчиков на ПЗС. В гл. 3 представлены разработанные аналитические модели для оценки чувствительности телевизионных датчиков на ПЗС. В гл. 4 описано разработанное программное обеспечение для измерения характеристик телевизионных датчиков. В гл. 5 приведены результаты экспериментальных исследований характеристик телевизионных датчиков на ПЗС. Далее приведён список литературы. В приложении представлены копии документов (свидетельств о регистрации программ для ЭВМ, актов использования результатов работы).

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ДАТЧИКОВ

1.1 Методы и критерии оценки чувствительности

Для оценки чувствительности ТВ камеры необходимо знать чувствительность твердотельного фотоэлектрического преобразователя (ФЭП). Несмотря на различие подходов, большинство авторов выделяют именно чувствительность как одну из основных характеристик ТВ камеры.

Чувствительность обычно определяют как значение освещенности на объекте в люксах, обеспечивающее заданные параметры качества выходного видеосигнала. При этом должна быть указана цветовая температура источника света - температура нити накаливания в градусах Кельвина, например, наиболее типичные источники света типа "А" с цветовой температурой Т = 2854° К или же галогеновая лампа с Т=3200°К. Однако характеристика спектральной чувствительности матричного ПЗС существенно отличается от кривой видности зрительного анализатора.

Спектральная характеристика ПЗС простирается в инфракрасную область спектра вплоть до длины волны 1,1 мкм. В результате ТВ камера преобразует в видеосигнал световой поток с длинами волн не только в видимой области, но и в инфракрасной. Это позволяет обеспечить наблюдение в условиях наличия излучения в ближней инфракрасной зоне, когда глаз человека уже ничего не видит. Используя этот факт, недобросовестные рекламодатели указывают значение пороговой чувствительности, близкое или равное нулю люкс. При переходе от освещения лампой накаливания к естественному освещению, заявленное значение пороговой чувствительности в люксах увеличивается, т.е. чувствительность ухудшается в несколько раз за счет отсутствия инфракрасного излучения. Чтобы этого не происходило, измерения чувствительности следует проводить при установке перед объективом светофильтра, отсекающего инфракрасную область спектра [1,2].

Также при измерении чувствительности необходимо указывать, какое отношение сигнал-шум принимается за заданный параметр качества выходного видеосигнала. Например, раньше под минимальной освещенностью понималась такая, при которой сохраняется полная разрешающая способность камеры, то есть отношение сигнал-шум должно составлять примерно 34-36 дБ. В настоящее время минимальная освещенность трактуется как освещенность, при которой можно различить только крупные детали изображения, что соответствует отношению сигнал-шум 20-24 дБ. В космической и военной технике часто под пороговой чувствительностью понимается освещенность, при которой амплитуда полезного сигнала равна размаху шумовой дорожки, то есть отношение сигнал-шум составляет 6 раз (15,5 дБ). В связи с этим значения чувствительности также могут отличаться в 5-10 раз [1,3]. Помимо этого, не строго определено само понятие отношения сигнал-шум. Так, обычно под отношением сигнал-шум понимают отношение сигнала в белом к шуму на черном. Однако в ПЗС шумы не являются аддитивными, и к собственным шумам на белом добавляется фотонный шум [1].

Иногда для уточнения понятия минимальной освещенности используют так называемую «шкалу IRE». В этой шкале максимальный полезный видеосигнал 0,7 В принимается за 100 единиц IRE. Полный видеосигнал с амплитудой 1 В содержит 0,3 В синхросигнала и 0,7 В сигнала изображения. Различные производители указывают чувствительность ТВ камер для разных значений по шкале IRE от 20 до 50. При таком снижении амплитуды видеосигнала качество изображения снижается до приемлемого.

Чувствительность телевизионной камеры также зависит от крутизны ее свет-сигнальной характеристики, представляющей собой зависимость видеосигнала от освещенности сцены - чем больше крутизна, тем больше чувствительность при выбранном пороге. В связи с неоднозначностью выбора порогового уровня производители в качестве параметра, характеризующего чувствительность, часто используют другие показатели.

Для вещательного стандарта разложения таким параметром может быть напряжение видеосигнала при заданном уровне освещенности, типе источника

света, светосиле объектива и уровне шума. Другим параметром является выходное напряжение, нормированное на экспозицию (В/лк-с). Размерность этой характеристики отражает взаимозависимость освещенности и времени накопления. Выходной сигнал определяется общим числом фотонов, накопленных в элементах ПЗС [4].

На значение чувствительности влияет также время накопления. Обычно в документации чувствительность указывается для максимального времени накопления. Однако во многих ТВ камерах время экспозиции изменяется от номинального значения 20 мс как в сторону уменьшения до десятков микросекунд, так и в сторону увеличения до десятков и сотен секунд.

Чувствительность обычно указывают для максимальной четкости. Вместе с тем, заявленная четкость проверяется при большой освещенности и большом отношении сигнал-шум. При уменьшении освещенности всегда имеет место снижение четкости. Поэтому при оценке чувствительности следует учитывать и этот фактор [2].

1.2 Расчетные модели для оценки чувствительности

Интегральная чувствительность

Интегральной чувствительностью ФЭП называют отношение выходного видеосигнала к освещенности на светочувствительной поверхности или на объекте при заданных условиях - времени накопления, цветовой температуре источника освещения и т.п. Обратимся к понятию освещённости на светочувствительной поверхности. При использовании телевизионных средств в системах наблюдения, контроля и слежения за объектами источником излучения является сам объект или его поверхность, облучаемая посторонним источником. Часть потока излучения объекта попадает через объектив на светочувствительный слой ПЗС и создает на нем оптическое изображение объекта, которое преобразуется в сигнальные электроны. Расчету освещенности изображения объекта посвящено большое количество работ [5-17]. Исходными данными для расчета обычно являются:

Т - температура источника излучения, которым подсвечивается объект; роб (А,) - коэффициент диффузного отражения объекта, где А - длина волны излучения;

ЕА (А)- спектральная плотность энергетической освещённости объекта; Еэ - интегральная энергетическая освещённость поверхности объекта, которая определяется по формуле

Еэ =] Ех {А)сА;

0

Есв - световая освещённость, эквивалентная интегральной энергетической освещённости Еэ, определяемая по формуле

ад

Есв = 683| ЕА (А)¥ (А)ЛА,

0

где 683 - пересчетный коэффициент энергетических величин в световые, а V (А) -относительная спектральная чувствительность глаза;

т Ср(А) - коэффициент пропускания среды, через которую проходит часть излучения, отраженного объектом;

/' - фокусное расстояние объектива;

В- диаметр входного зрачка объектива;

т о (А) - коэффициент пропускания объектива;

а- расстояние между объективом и объектом;

а' - расстояние между объективом и изображением объекта на светочувствительном слое ПЗС.

В работе [15] принята зависимость спектральной освещённости в плоскости изображения от спектральной плотности освещённости поверхности объекта в виде

Ех'(А) (А)Р;(А)е 2 Ех (А),

где тЕ (А) = тср (А)т 0(А), 0 = В - относительное отверстие объектива.

Она основана на известной зависимости освещённости изображения объекта Е'св от освещённости объекта Есв [5-10]

п2

Е = Е р°б Т°0 = Е ^^ а1 = Е ^^ А, (11)

св св 4(1 + р)2 св р2 св р2

а

где в =--линейный масштаб изображения (коэффициент увеличения системы),

а

а = 0р =—, а = а2. При р<< 1

2(1 + в) 2а 1

02 Е Ао — = Е р б т

4 св г об о р 2

Е' = Е р т — = Е р т —

св св об о св об о 2

2 2

где А° = ^ (1 + в) , т.е. полученная формула аналогична (1.1).

В работе [10] приведена уточненная зависимость

а_= Е А

р 2(1 + а2) свро6 То р

Е св Есвробто п2/л у2\ Есвробто п22 , (1.2)

а

где А,

1 + а2

В работе [17] предложен способ расчёта световой освещённости изображения в телевизионном датчике на ПЗС-матрице в зависимости от освещённости объекта наблюдения, использующий уточнённую зависимость телесного угла от плоского:

а

О = 2п(1 - С08у).

Этот способ рассматривает телесный угол как часть пространства, ограниченного некоторой конической поверхностью, а не отталкивается от способа измерения телесного угла. Целесообразно, для оценки интегральной чувствительности использовать зависимость, полученную в [17].

Спектральная чувствительность

Спектральная характеристика чувствительности ФЭП определяется как зависимость величины накопленного и переданного на выход

2

фотогенерированного зарядового пакета от длины волны излучения А. Теоретически она характеризует зависимость чувствительности ФЭП или ТВ камеры от длины волны принимаемого излучения.

Поток излучения вызывает появление в потенциальной яме пикселя матрицы сигнальных электронов, число которых (пс) чаше всего рассчитывают по

формуле [15]

, Е\ (А)п(А) „ , Е\ (А)п(А)А «с = 'какАл I Е (А: йА = ¿накАЭл | ^ /1У } йА (1.3)

0 Ефт(А) 0 кс

где п(А) - квантовая эффективность матрицы; Ефт (А) = — - энергия фотона на

кс

т

длине волны А. Величина п(А)А фактически является спектральной

кс

чувствительностью матрицы

^ (А) = п(А)А = ^ _ ^ (А) (1 4)

V У 7 макс отн V У 5 V )

кс

тах[п(А)А] „

где Л макс =- - значение максимальной чувствительности, 1/Дж;

кс

П(А)А

Лотн (А) =-—- - относительная спектральная чувствительность матрицы.

тах[п(А)А]

Чувствительность матрицы Л(А) соответствует количеству электронов, возникающих в потенциальной яме при поглощении 1 Дж лучистой энергии. Пороговая чувствительность Для оценки способности приемника излучения обнаруживать предельно малые освещенности вводится величина, называемая порогом чувствительности или же пороговой чувствительностью. Пороговая чувствительность - это минимальный световой поток, создающий на выходе ФЭП заданное отношение сигнал-шум.

Выражение для пороговой световой освещённости в плоскости оптического изображения на ПЗС имеет вид

ад

68-Ш А2 IХ(Х,Т) • V(Х) • ^ ^ =_683^е--0-, (15)

св * , ^ ' у1--';

4,накАЭЛ5макс |X(Х,Т) • 5отн (X) • сХ

О

где 683 - пересчётный коэффициент энергетических величин в световые [лм/Вт]; ,нак - время накопления; АЭЛ - площадь пикселя; 5макс - значение максимальной чувствительности матрицы; X(А, Т) - относительная спектральная плотность светимости абсолютно черного тела (АЧТ) (Т - температура абсолютно черного тела АЧТ, К), рассчитываемая по формуле:

м а (Х,Т)

X (Х,Т) =

м (Т)

макс

2пс И 1

где МА (X, Т) =-----г- - спектральная плотность светимости АЧТ

X5

ехр

Ис

-1

ХкТ

(здесь с - скорость света в вакууме, И - постоянная Планка, к - постоянная Больцмана), которая имеет максимальное значение равное

Мя (Т) =1,2865 • 10-5 • Т

Амакс V / ?

[м].

Вт

м"

при длине волны излучения Хмакс =2897,8 -10 6 /Т

Формула (1.5) получена при условии, что объект подсвечивается источником излучения, относительная спектральная плотность светимости которого совпадает с плотностью светимости АЧТ.

Пороговое значение интегральной энергетической освещённости в плоскости оптического изображения на ПЗС равно

ад

N е2 IХ<Х'Т) • ^

Е"' = 4, А 5 ^-• (1.6)

4,„ Аэл 5.а,, |X(Х,Т) • 5отн (X) •

Взаимосвязь между Есп°р и Еэпор с учётом выражений (1.5) и (1.6) имеет вид

ад

Е Пор IX(А,Т) • V(А) • йА

-с^- = 683--.

Е

пор

э

IX (А,Т) • йА

В работе [15] принято, что СКО шумовых электронов Ыш равно паспортному значению СКО шума матрицы (Агпасп), что можно считать вполне допустимым, если пренебречь шумами фона источника «светового» сигнала, в том числе фотонным шумом.

Однако, когда на светочувствительный слой матрицы проецируется изображение с экрана электронно-оптического преобразователя (ЭОП), шумы источника «светового» сигнала могут быть соизмеримыми с шумами ПЗС или превышать их. Тогда ими пренебрегать нельзя.

Контрастная чувствительность ФЭП Контрастная чувствительность ФЭП - это минимальный контраст, формирующий на выходе перепад видеосигнала с заданным отношением сигнал-шум. Контрастом изображения называется отношение максимальной яркости изображения к минимальной яркости. Контраст является одним из важнейших качественных параметров изображения, так как он характеризует диапазон изменения яркости и определяет число различимых градаций яркости (полутонов изображения). Зачастую, контраст и контрастность определяют из аналитического выражения распределения яркости в кружке рассеяния идеального объектива.

Теоретически предельное разрешаемое расстояние между двумя точками в случае идеального (безаберрационного) объектива определяется по Релею диаметром входного зрачка объектива В, его фокусным расстоянием /' и длиной волны излучения А [18]. Оно находится из аналитического выражения распределения яркости в кружке рассеяния такого объектива в радиальном направлении г [10, 19, 20]

2Зх (пх)

к(х ) =

пх

2

, (1.10)

где J1(x) - функция Бесселя 1-го порядка, x = г / г0, г0 = А/'/ Л = АЕ (здесь Е = Б//' - диафрагменное число объектива).

За разрешаемое расстояние принимается расстояние г, при котором максимум яркости излучения одной точки совпадает с первым минимумом в распределении яркости второй (соседней) точки. Это расстояние получается равным г01 «1,22г0 = 1,22АЕ.

1.3 Постановка задач исследования

Обзор показывает актуальность совершенствования расчетных моделей для оценки чувствительности и разрешающей способности телевизионных датчиков на ПЗС-матрицах. В известных работах [2, 3] чувствительность рассматривается в основном качественно, отсутствуют строгие определения и выводы соответствующих выражений, нет примеров расчета для конкретных матричных ПЗС и ТВ камер на их основе.

В связи с изложенными несоответствиями и неоднозначностями задача анализа характеристик чувствительности становится весьма актуальной.

В работах [5-16] не учитываются факторы, которые могут привести к значительным погрешностям в расчетах. В первую очередь это относится к оценке зависимости освещённости изображения от освещённости объекта при соизмеримых расстояниях от объектива до объекта и от объектива до изображения в спектральном диапазоне, что имеет место на практике (например, при использовании в телевизионном датчике согласующей оптики).

Уточнение зависимости значения накопленного и переданного на выход фотогенерированного зарядового пакета от длины волны излучения X играет важную роль при определении спектральной чувствительности. Указанное уточнение приобретает актуальность в тех случаях, когда расстояние до объекта становится сравнимым с диаметром входного зрачка объектива, что часто имеет место в системах прикладного (в том числе измерительного) телевидения. Так, в высокочувствительных как пассивных, так и активных и активно-импульсных

телевизионных системах с применением электронно-оптических преобразователей (ЭОП) изображение с выходного экрана ЭОП проецируется с помощью согласующего объектива на ПЗС-матрицу. При этом с целью минимизации габаритов фотоприёмной части все детали (ЭОП, согласующий объектив, ПЗС-матрица) должны быть как можно ближе друг к другу.

Потери при согласовании ЭОП и ТВ датчика предлагается, как правило, учитывать с помощью коэффициента оптической передачи по яркости кв,

который по определению [6, 10, 21] равен

Е

к

в

где Епзс - освещённость фоточувствительной поверхности матрицы ПЗС, Вт/м2; Во- яркость объекта, Вт/(ср-м ).

И согласно этим же источникам он рассчитывается по следующей формуле:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Зайцева Екатерина Викторовна, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Выбор типа фотоприемника в телевизионной системе измерения пространственно-временных координат объектов / А.А. Манцветов,

A.К. Цыцулин, С.Н. Коноплев, Е.В. Курзенева, Д.В. Умников // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 2001. - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001. - С. 24-27.

2. Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телекамеры: гипноз рекламы и реальность // Безопасность, достоверность, информация. - 1999. - № 6. - С. 14-16.

3. Куликов А. Н. Телевизионное наблюдение в сложных условиях // Специальная техника. - 2000. - № 35. - С 30-33.

4. Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телевидение в системах физической защиты. - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001. - С. 134.

5. Цифровое преобразование изображений / Р.Е. Быков, Р. Фрайер, К.В. Иванов, А.А. Манцветов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - 228 с.

6. Быков Р.Е. Основы телевидения и видеотехники: учебник для вузов / Р.Е. Быков. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 399 с.

7. Телевидение: учеб. для вузов / В.Е. Джакония [и др.]; под ред.

B.Е. Джакония. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2004. - 616 с.

8. Казанцев Г.Д. Измерительное телевидение: учеб. пособие для вузов / Г.Д. Казанцев, М.И. Курячий, И.Н. Пустынский. - М.: Высшая школа, 1994. -288 с.

9. Бабенко В.С. Оптика телевизионных устройств / В.С. Бабенко. - М.-Л.: Энергия, 1964. - 256 с.

10. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: учеб. пособие для вузов / М.М. Мирошников. - Л.: Машиностроение, 1977. - 600 с.

11. Карасик В.Е. Лазерные системы видения: учеб. пособие / В.Е. Карасик, В.М. Орлов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 353 с.

12. Грязин Г.Н. Системы прикладного телевидения: учеб. пособие для вузов. - СПб.: Политехника, 2001. - 277 с.

13. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов / Ю.Г. Якушенков. - М.: Логос, 2011. - 468 с.

14. Уваров Н. Секреты высокой чувствительности ТВ камер // Алгоритмы безопасности, 2002 г. - № 6. - С. 14-18.

15. Князев М.Г. Расчёт пороговых значений потока излучения и освещённости для ПЗС матриц Kodak KAI-1003M, Kodak KAI-1020 и Philips FTF3020M / М.Г. Князев, А.В. Бондаренко, И.В. Докучаев // Цифровая обработка сигнала. - 2006. - № 3. - С. 49-56.

16. Березин В.В. Твердотельная революция в телевидении: телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле / В.В. Березин, А.А. Умбиталиев, Ш.С. Фалмин, А.К. Цыцулин, Н.Н. Шипилов; под ред. А. А. Умбиталиева и А.К. Цыцулина. - М.: Радио и связь, 2006. - 300 с.

17. Пустынский И.Н. Уточнение зависимости освещённости оптического изображения от освещённости объекта в телевизионных датчиках // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2009. - № 1. - C. 36-39.

18. Рыфтин Я. А. Телевизионная система. - М: Сов. радио,1967. - 271 с.

19. K.R. Castelman Digital image processing. - New Jersey: Prentice, 1996. -

P. 368.

20. Порфирьев Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах. - Л.: Машиностроение, 1989. - 383 с.

21. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. - М.: Искусство, 1978. - 543 с.

22. М.М. Гуревич Фотометрия (теория, методы и приборы) / 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 272 с.

23. Г. М. Кнорринг Осветительные установки. - Л.: Энергоиздат. Лениигр. отд., 1981. - 288 с.

24. Бронштейн И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. - М.: Госиздат технико-теоретической литературы, 1955. - 608 с.

25. Пустынский И.Н. К расчёту освещённости изображения и числа сигнальных электронов в телевизионном датчике на ПЗС-матрице / И.Н. Пустынский, Е.В. Зайцева // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2009. - № 2. - С. 5-10.

26. Пустынский И.Н. К расчёту освещённости изображения и числа сигнальных электронов в телевизионном датчике на ПЗС-матрице / И.Н. Пустынский, Е.В. Зайцева // Доклады Том. гос. университета систем управления и радиоэлектроники. - 2009. - № 2. - С. 5-10.

27. Зайцева Е.В. Уточнение числа сигнальных электронов в телевизионном датчике на ПЗС-матрице при наблюдении светящихся объектов / П.А. Дегтярев, Ю.Р. Кирпиченко, И.Н. Пустынский // Труды 9-й Международной конференции «Телевидение: передача и обработка изображений», 29-30 мая 2012 г., Санкт-Петербург. - СПб: «Технолит», 2012. - С. 69-72.

28. Неизвестный С.И. Приборы с зарядовой связью - основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ПЗС / С.И. Неизвестный, О.Ю. Никулин // Специальная техника. - 1999. - № 5. - С. 30-38.

29. Бондаренко А. Телевизионная видеокамера с цифровой обработкой сигнала в реальном времени / А. Бондаренко, И. Докучаев, М. Князев // Современная электроника. - 2006. - № 3. - С. 50-54.

30. Пустынский И.Н. Определение пороговой освещённости изображения в телевизионном датчике / И.Н. Пустынский, Е.В. Зайцева // Труды 7-й Международной конференции «Телевидение: передача и обработка изображений», 29-30 июня 2009 г., Санкт-Петербург. - СПб: «Технолит». - 2009. - С. 53-57.

31. Пустынский И.Н. К уточнению оценки отношения сигнал/шум в телевизионном датчике на ПЗС-матрице / И.Н. Пустынский, Е.В. Зайцева //

Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2010. - № 2. - С. 180-182.

32. Зайцева Е.В. Оценка чувствительности телевизионного датчика на ПЗС матрице // Труды 8-й Международной конференции «Телевидение: передача и обработка изображений», 29-30 мая 2011 г., Санкт-Петербург. - СПб: «Технолит», 2011. - С. 34-36.

33. Миленин Н.К. Шумы в формирователях сигнала на ПЗС // Техника кино и телевидения. - 1980. - № 6. - С. 51-57.

34. Зайцева Е.В. Аппроксимация распределения яркости в кружке рассеяния безаберрационного объектива. Доклады (материалы) 14-й международной научно-практической конференции, Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс-14-2008), 6-8 октября 2008 г. -Томск: САН ВШ, В-спектр, 2008. - С. 93-96.

35. Пустынский И.Н., Зайцева Е.В. Оценка погрешности аппроксимации гауссоидой распределения яркости в кружке рассеяния объектива. Доклады (материалы) 13-й международной научно-практической конференции, Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс-13-2007), 1-3 октября 2007 г. -Томск: САН ВШ, В-спектр, 2007. - С. 167-173.

36. Пустынский И.Н. Оценка погрешности «колокольной» аппроксимации распределения яркости в кружке рассеяния объектива / И.Н. Пустынский, Е.В. Зайцева // Материалы докладов всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР -2008». - 2008. - С. 146-148.

37. Пустынский И.Н. Оценка погрешностей аппроксимаций распределения яркости в кружке рассеяния безаберрационного объектива / И.Н. Пустынский, Е.В. Зайцева. // Сборник материалов VIII международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации»

(Распознование-2008), часть 2, Курск 13-15 мая 2008 г. - Изд-тво КурскГТУ. -2008. - С. 73-75.

38. Пустынский И.Н., Кирпиченко Ю.Р. К оценке чувствительности и разрешающей способности телевизионных датчиков // Приборостроение. - 2005. - № 11. - С. 5-9.

39. Пустынский И.Н. Оценка погрешности определения световой освещённости изображения объекта при аппроксимации кривой видности глаза гауссоидой / И.Н. Пустынский, Е.В. Зайцева // Сборник материалов международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Распознование - 2010). - Изд-во КурскГТУ, 2010. - С. 52-56.

40. Зайцева Е.В. Сравнение различных аппроксимаций кружка рассеяния безаберрационного объектива // Изв. вузов. Приборостроение. - 2010. - № 9. -С. 47-51.

41. Пустынский И.Н., Потехин В.А., Зайцева Е.В. Минимизация погрешности аналитического выражения спектральной чувствительности зрения. Доклады 12-ой международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс -12-2006)». Тюмень, 2-4 октября 2006 г. - Изд-во «В-Спектр», 2006. - С. 230-235.

42. Пустынский И.Н. Аналитическое выражение спектральной чувствительности зрения / И.Н. Пустынский, Е.В. Зайцева // Материалы докладов всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР -2006». - 2006. - С. 146-148.

43. Зайцева Е.В. Применение аппроксимации относительной спектральной чувствительности глаза при расчете световой освещённости изображения // Материалы докладов всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР -2010». - 2010. - С.193-195.

44. Зайцева Е.В. Погрешности аппроксимации усредненных кривых видности при определении освещённости оптического изображения // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2010. - № 1. - C. 69-73.

45. И. Л. Гейхман Видение и безопасность / Гейхман И. Л., Волков В.Г. -М., 2009. - 840 с.

46. Курьянович Е.Я. Обнаружение и определение координат множества точечных объектов в телевизионном изображении : дис. ... канд. техн. наук. -Томск : ТИАСУР, 1993. - 185 с.

47. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. - М.: Советское радио, 1966. - 677 с.

48. Седжвик Р. Фундаментальные алгоритмы на C++. Анализ/Структуры данных/Сортировка/Поиск: пер. с англ. / Роберт Седжвик. - К.: Изд-во «ДиаСофт», 2001. - 688 с. - ISBN 966-7393-89-5.

49. Леен Аммерааль. STL для программистов на С++. Пер. с англ. / Леен Аммерааль. - М.: ДМК, 1999. - 240 с. : ил. - ISBN 5-89818-027-3.

50. Mark D. Pesce. Sample Chapter / Programming Microsoft DirectShow for Digital Video and Television. — Microsoft Press, 2003. — ISBN 0-7356-1821-6.

51. Поляков А.Ю., Брусенцев В.А. Программирование графики: GDI+ и DirectX. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 368 с. : ил. - ISBN 5-94157-504-1.

52. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014610136. Программа для измерения характеристик шумов телевизионных датчиков / Гальчук И.В., Зайцева Е.В., Курячий М.И. - Заявка № 2013660063. Дата поступления 5 ноября 2013 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 9 января 2014 г.

53. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014610138. Программа для измерения координатных искажений малоразмерных объектов в телевизионных изображениях / Гальчук И.В.,

Зайцева Е.В., Курячий М.И. - Заявка № 2013660069. Дата поступления 5 ноября 2013 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 9 января 2014 г.

54. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611489. Программа для измерения отношения сигнал шум в активно-импульсных телевизионно-вычислительных системах / Гальчук И.В., Зайцева Е.В., Курячий М.И. - Заявка № 2012660075. Дата поступления 7 декабря 2012 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 22 января 2013 г.

55. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611363. Программа для измерения разрешающей способности в активно-импульсных телевизионно-вычислительных системах / Гальчук И.В., Зайцева Е.В., Курячий М.И. - Заявка № 2012660365. Дата поступления 22 ноября 2012 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 9 января 2013 г.

56. Масленников В.Н. Расчет отношения сигнал / шум для видеоусилителя радиационностойкой ТВ камеры / В.Н. Масленников, В.Ф. Коновалов, Е.В. Зайцева // материалы докладов всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР -2007». - 2007. - C. 106-110.

57. Зайцева Е.В. Виды и способы коррекции геометрических искажений в системах с телевизионным датчиком // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-15-2009): доклады (материалы) 15-й Междунар. науч.-практ. конф., Иркутск, 5-7 окт. 2009 г. - Томск: САН ВШ; В-Спектр, 2009. - 304 с. - С. 83-86. ISBN 978-5-91191-125-6.

58. Инструментальные средства для исследования и разработки методов коррекции искажений в телевизионно-вычислительных системах / И.В. Гальчук, Е.В. Зайцева // Телекоммуникации. - 2012. - № 1. - С. 19-24.

59. Авдоченко Б.И., Зайцева Е.В., Кирпиченко Ю.Р., Курячий М.И., Пустынский И.Н. Особенности построения активно-импульсных телевизионно-вычислительных систем (АИТВС), работающих в сложных условиях контроля и

наблюдения. 11-я Международная конференция «Телевидение: передача и обработка изображений». 25-26 июня 2014 г. Санкт-Петербург. - С. 117-119.

60. Пустынский И.Н. Методы и средства формирования и обработки изображения переднего отдела глаза / А.Н. Дементьев, Н.И. Мищенко, И.Н. Пустынский, Е.В. Зайцева // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2012. - № 2(26), Ч. 1. -С. 121-125.

61. Зайцева Е.В. Коррекция искажений видеосигнала в активно-импульсных телевизионных системах / Б.И. Авдоченко, Е.В. Зайцева, Ю.Р. Кирпиченко, М.И. Курячий, И.Н. Пустынский, // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2015. -№ 2(36), Ч.2. - С. 19-24.

98

ПРИЛОЖЕНИЕ

«УТВЕРЖДАЮ»

Проректор по научной работе и

ill" iHil¥ * д.т.н., проф. Р.В, Мещеряков

1 - ^%i.\«как?» _ ___ _

внедрения (использования) результатов диссертационной работы Зайцевой Екатерины Викторовны

Мы, нижеподписавшиеся, заведующий кафедрой телевидения и управления (ТУ) ТУСУР, д.т.н., проф. ГазизовТ.Р., руководитель проекта №2.1.2/12356 «Исследование и разработка методов коррекции искажений в телевизионных датчиках при экстремальных условиях контроля и наблюдения», выполненного в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», д.т.н., проф. Пусты некий И.Н. настоящим актом подтверждаем, что в указанном проекте использованы следующие результаты диссертационной работы Зайцевой Е.В.:

1. Уточненная формула зависимости освещенности оптического изображения от освещённости объекта.

2. Уточненная формула зависимости от длины волны излучения величины накопленного и переданного на выход фото генерирован но го зарядового пакета.

3. Программный модуль для измерения разрешающей способности системы.

4. Программный модуль для измерения распределения энергии.

5. Программный модуль для измерения характеристик шумов ТВ-датчиков.

6. Программный модуль для измерения координатных искажений.

Указанные результаты представлены в научно-техническом отчете по

проекту №2.1.2/12356. Использование указанных результатов способствовало успешному выполнению проекта.

Руководитель проекта

Заведующий кафедрой ТУ

^«УТВЕРЖДАЮ»

проф. Л.А. Боков ¿Г 2015 г.

|ор депар тамента рзования ТУСУР

АКТ

внедрения в учебный процесс результатов диссертационной работы Зайцевой Екатерины Викторовны

Мы, нижеподписавшиеся, заведующий кафедрой телевидения и управления (ТУ) ТУСУР, д.т.н., проф. Газизов Т.Р., заместитель заведующего кафедрой ТУ по учебной работе, к.т.н., проф. Булдаков А.Н. настоящим актом подтверждаем, что в учебный процесс внедрены следующие результаты диссертационной работы Зайцевой Е.В.:

1. Уточненная формула зависимости освещенности оптического изображения от освещённости объекта.

2. Уточненная формула зависимости от длины волны излучения величины накопленного и переданного на выход фотогенерированного зарядового пакета.

3. Выражения для аппроксимации кружка рассеяния безаберрационного объектива.

4. Выражения для аппроксимации усредненных кривых спектральных чувствительностей глаза.

Указанные результаты использованы для расчетов телевизионных систем в практических работах по дисциплинам «Основы телевидения» и «Телевизионные устройства» студентами гр. 170, 110, 20-В. Полученные формулы и выражения показали свою полезность для освоения студентами расчетов телевизионных систем.

Указанные результаты также использованы для подготовки рабочей программы по дисциплине «Цифровое телевидение» для магистерской программы «Видеоинформационные технологии и цифровое телевидение» по направлению «Радиотехника».

Заведующий кафедрой ТУ

Заместитель заведующего кафедрой ТУ по учебной работе

«УТВЕРЖДАЮ» Директор департамента по науке и

инновациям.

.Проректор по научной работе и \ инновациям

д.т.н., проф. Р.В. Мещеряков № ОС 2015 г.

внедрения (использования) результатов диссертационной работы Зайцевой Екатерины Викторовны

Мы, нижеподписавшиеся, заведующий кафедрой телевидения и управления (ТУ) ТУСУР, д.т.н., проф. ГазизовТ.Р., руководитель проекта, выполняемого в рамках базовой части государственного задания №2014/225 по НИР «Исследование и разработка методов и средств повышения качества изображений в активно-импульсных телевизионно-вычислительных системах при пониженной прозрачности среды распространения излучения и наличии оптических помех» (код проекта 769), д.т.н., проф. Пустынский И.Н, настоящим актом подтверждаем, что в указанном проекте использованы следующие результаты диссертационной работы Зайцевой Е.В.:

!. Уточненная формула зависимости освещенности оптического изображения от освещённости объекта.

2. Уточненная формула зависимости от длины волны излучения величины накопленного и переданного на выход фото генерированного зарядового пакета.

3. Программный модуль для измерения разрешающей способности системы.

4. Программный модуль для измерения распределения энергии.

5. Программный модуль для измерения характеристик шумов ТВ-датчиков.

6. Программный модуль для измерения координатных искажений.

Указанные результаты представлены в научно-техническом отчете по

НИР «Исследование и разработка методов и средств повышения качества изображений в активно-импульсных телевизионно-вычислительных системах при пониженной прозрачности среды распространения излучения и наличии оптических помех» (код проекта 769), выполняемой в рамках базовой части государственного задания №2014/225. Использование указанных результатов способствовало успешному выполнению проекта.

Руководитель проекта (код 769)

Заведующий кафедрой ТУ