3. Структурные методы распознавания, их специфика и применение.

Распознавание объектов по типу индикатрисы отражения поверхности. Способность поверхности объектов по различному рассеивать падающее излучение так же в виде набора признаков может входить в алфавит признаков. Яркость поверхности зависит от направлении, под которым она наблюдается, и от направ­ления падающих лучей. Можно описать эти зависимости в локальной системе координат на поверхности объекта (рис. 9.1).Рассмотрим нормаль n к поверх­ности и произвольную линию на ней. Н аправления можно описать с помощью углов между лучом и нормалью и между ортогональ­ной проекцией луча на поверхность и линией на поверхности. Эти углы называются полярным и азимутальным соответственно.

Рис. 9.1. Лучи отражения в системе координат нормали к поверхности

Они позволяют нам определить направления и под которыми свет падает на поверхность и излучается к наблюдателю (рис. 9.2).

Определим двух лучевую функцию отражательной способности (ДФОС), которая показывает изменение яркости поверхности при заданных направлениях наблюдения и освещения. Количество света, падающего на поверхность по направлению (освещенность элементарного участка) обозначим . Яркость поверхности, наблюдаемая в направлении , обозначим . ДФОС определится по формуле:

.

Рис. 9.2. Падающий луч и один из лучей отраженного потока

Для многих поверхностей их яркость не меняется при повороте поверхности вокруг нормали. В этом случае ДФОС зависит не от и по отдельности, а от их разности - . Это, в частности, верно для матовых и зеркально отражающих поверхностей, но не верно для поверхностей с ориентированной микроструктурой, например для некоторых минералов, (например, минерала тигровый глаз), или радужных перьев некоторых птиц. В реальном случае могут существовать несколько точечных или даже протяженных источников, как например, лазерный зонд и фоновое освещение. В случае протяженного источника, чтобы получить ненулевое излучение поверхности, мы должны рассматривать ненулевой телесный угол. Рассмотрим бесконечно малую площадку размером по полярному и по азимутальному углам рис. 63.

Эта площадка задает телесный угол . Если положить, что мощность излучения, приходящего по направлению на единицу телесного угла, равняется то мощность, идущая от рассматриваемой площадки, будет равняться выражению , а полная освещенность поверхности — выражению

.

Для получения яркости поверхности объекта необходимо проинтегри­ровать произведение ДФОС и освещенности по полусфере возможных направлений падения света. Таким образом:

.

Рис. 9.3. Падающий луч и один из лучей отраженного потока

Идеальной ламбертовой поверхностью называется такая поверхность, кажущаяся яркость которой одинакова при любых направлениях наблю­дения и которая отражает все падающие лучи, ничего не поглощая. Из этого определения следует, что ДФОС ( ) для такой поверхности должна быть константой. Проинтегрируем яркость поверхности объекта по всем направлениям и прирав­няем полученную таким образом полную яркость полной освещенности.

, или .

Используя соотношение 2sin cos = sin2 , получим . Итак, для идеальной ламбертовой поверхности . Заметим, что, поскольку ДФОС постоянна для ламбертовой поверхности, мы можем вычислить яркость L по освещенности т. е. .

Модель идеальной ламбертовой и зеркальной поверхностей образуют как бы крайние точки в анализе отражающих свойств реальных поверхностей. Они часто используются при определении качества бумажного полотна и т. п. ДФОС можно определить экспериментально, освещая обра­зец интересующего нас материала и измеряя его яркость с помощью сенсора. При этом контролируются углы падения излучения и угол наблюдения.

Рассмотрим использование выше сказанного на конкретном примере. Пусть необходимо обнаружить следы масляной пленки на материале близком по отражающим характеристикам к ламбертовой поверхности. Появление пленки сглаживает неровности и итоговая поверхность приобретает свойства зеркала. Таким образом пленка приводит к изменению формы ДФОС. Включая анализируемый участок материала в оптическую схему формирования изображения, получим оптический прибор с изменяемыми параметрами.

Поверхность с пленкой – компонент оптической схемы, расположенный вне зон промежуточных изображений и играет роль отражающего зеркала. Пусть в идеальном приборе с зеркальной поверхность изображение эталона (периодическая структура) имеет вид отклика представленного на рис. 9.4. Не однородность отклика обусловлена спецификой конкретной оптической схемы. На рисунке - сигнал с CCD – многоэлементного фотоприемника, - номер фотоприемника по строке толщина пленки указана в unit, 1 unit примерно равен 0,18 мкм.

Исходная поверхность без пленки рассеивает излучение и периодическая структура не прорабатывается (рис. 9.5). С появлением пленки появляется и изображение структуры, которое становится с ростом толщины пленки контрастнее (рис. 9.6, 9.7). Включение признака - контрастность позволяет решить задачу распознавания объектов подложка и подложка с пленкой.

Рис. 9.4. Отклик от зеркальной поверхности

Рис. 9.5. Отклик от диффузионной рассеивающей поверхности (нет пленки)

Рис. 9.6. Отклик от поверхности с пленкой в 10 unit

Рис. 9.7. Отклик от поверхности с пленкой в 20 unit

Для толстых пленок очень сильно влияние неплоскостности поверхности пленки. На рис.9.8 приведен вид поверхности пленки. В зоне плоской пленки – a сигнал по форме схож с калибровочным. Наклонные поверхности b, c, d приводят к потере энергии сигнала и к изменению формы сигнала.

Рис.9.8. Участки a,b,c,d поверхности пленки(эллипс в районе точки а – смещающаяся зона контроля)

Разность коэффициента отражения эталонного сигнала в расчетных зонах может служить флагом неплоской поверхности. На рис.9.9 приведены сигналы в расчетных зонах для пленки толщиной 80 unit. Отчетливо видно различие значительно лучшая проработка

Рис. 9.9. Отклик от поверхности с неоднородной пленкой толщиной 80 unit

Это пример сложной задачи формирования признаков, в которой присутствует определенная физическая модель и сложные измерительные устройства, определяющие значения параметра косвенным путем.