8.6. Цифровая обработка полей в оптических системах [10-13]

Важнейшей задачей оптики всегда было повышение качества и информационной производительности оптических приборов. В настоящее время современная оптико-электронная техника, по существу, решила проблему формирования изображений высокого качества и большой информационной емкости для большинства практических задач. Важнейшей стала проблема эффективности использования заключенного в них огромного объема информации, т.е. проблема обработки изображений, голограмм и интерферограмм.

Фундаментальным методом решения этой проблемы является развитие на основе теории информации и теории сигналов информационных аспектов теории оптического изображения, оптических систем и привлечение современных методов обработки сигналов, из которых важнейшими в настоящее время являются средства компьютерной техники. Оптические приборы с вычислительными устройствами теперь усиливают не только оптические свойства зрения, но и его аналитические возможности. Это привело к тому, что в рамках общего научного направления обработки оптических полей сформировалась еще одна дисциплина, называемая иконикой. В настоящее время иконика объединяет теоретические и экспериментальные исследования, направленные на всестороннее изучение свойств изображений в "тесной увязке" их со зрительным восприятием.

Техническое обеспечение процедуры компьютерной обработки оптических полей помимо персональных и специализированых компьютеров включает сканеры, ПЗС-матрицы, телекамеры и т.п. На начальных этапах компьютерная оптика заимствовала эти устройства из других областей, таких как машинная графика и автоматизированное проектирование. Но в последнее время стали создаваться и получили широкое распространение специализированные технические средства компьютерной оптики, среди которых особое место занимают параллельные процессоры для обработки многомерных сигналов.

8.6.1. Виды обработки оптических полей

Как научное направление, обработка оптических полей соприкасается с другими ветвями информационных и компьютерных наук - с распознаванием образов, искусственным интеллектом, компьютерным зрением, телевидением, интроскопией, акустоскопией, радиоголографией, томографией. Задачи, решаемые в рамках данного направления, можно классифицировать следующим образом.

Cинтез изображений по сигналам, получаемым с датчиков физических полей. Это задача цифровой обработки сигналов датчиков, направленная на их преобразование в форму, пригодную для визуализации. Сюда, например, относится томографический синтез, цифровое восстановление акустических и радиоголограмм, формирование изображений в оптических и других системах с кодированной апертурой и т.д.

Коррекция искажений. Это задача компьютерной обработки искаженного изображающей системой или датчиком изображения или сигнала, направленная на получение изображения (сигнала), соответствующего выходу идеальной изображающей системы. Такова, например, обработка изображения для повышения его резкости и подавления случайных помех.

Препарирование изображений. Идеальная изображающая система не обязательно дает изображение, наилучшим образом отвечающее требованиям конкретной задачи визуального анализа и выделения информации, поскольку требования к идеальным характеристикам практически являются компромиссом между требованиями широкого класса задач. Для отдельных конкретных задач могут потребоваться дополнительные преобразования сигнала, облегчающие визуальный анализ путем подчеркивания одних особенностей и деталей изображения и устранения других, изменения пространственных соотношений, измерения и визуализации количественных характеристик и т.п. Такие преобразования, являющиеся инструментом визуального анализа изображений профессиональным пользователем-экспертом в конкретной области применения данной визуальной информации, и называются препарированием изображения. Существенная особенность препарирования изображения - диалоговый режим обработки под управлением и наблюдением пользователя, неформализованный опыт и знания которого как бы включаются при этом в систему обработки.

Характерной особенностью препарирования изображения является также то, что в работу пользователю-эксперту предлагается для сравнительного анализа не само исходное (скорректированное) изображение, а варианты в виде цветных, стереоскопических, подвижных (анимационные) изображений объекта исследования по результатам выявления существенных признаков.

Кодирование изображений. Это вид обработки, при котором осуществляется преобразование оптических сигналов и изображений в форму, удобную для передачи по каналам связи и архивного хранения. Важной составной частью кодирования является, в частности, сжатие данных, т.е. кодирование, снижающее требования к пропускной способности каналов связи и емкости запоминающих устройств.

Измерение изображений полей. Под этой задачей подразумевается обработка оптических сигналов, в результате которой получаются количественные данные, предназначенные для принятия решений и управления автоматическими исполнительными механизмами.

Последний тип обработки оптических полей является необходимым атрибутом различных автоматизированных измерительных систем. Ниже в качестве примера рассматривается одна из таких систем, программное обеспечение которой было разработано на кафедре оптики и спектроскопии физического факультета МГУ с целью обработки изображений лазерных пучков со сложной пространственной структурой.