Международная телекоммуникатсионная конферентсия Молодеж и наука Ч.1 2015
.pdf
Фотоника и информационная оптика
Т.А. ВОВК, Т.Ю. НИКОЛАЕВА Научный руководитель – Н.В. ПЕТРОВ, к.ф.-м.н.
Университет ИТМО, Санкт-Петербург
КАЛИБРОВКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ОБЪЕМА С ЧАСТИЦАМИ НА ОСНОВЕ ОТНОШЕНИЯ ПИКА
КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ К ПЬЕДЕСТАЛУ
В данном сообщении исследуется новый метод характеризации взвешенных в объеме однотипных сферических частиц с помощью отношения пика корреляционной функции к пьедесталу. Корреляционная функция рассчитывается для двух соседних слоев объема, содержащих частицы. Метод был изучен с помощью численного моделирования, а также был проверен экспериментально.
Предложен новый метод определения концентрации частиц в объеме на основании отношения пика корреляционной функции, рассчитанной для двух записанных в соседних плоскостях изображений частиц, к ее пьедесталу. Изображения получаются путем записи осевых голограмм по методу Габора, восстанавливаемых численным моделированием распространения когерентного волнового фронта в плоскости (слое) объема. Данный метод записи голограмм-изображений взвеси частиц в объеме был рассмотрен ранее в [1, 2, 3].
Для оценки эффективности данного метода как инструмента была создана программная модель, позволяющая исследовать предложенный метод на большой статистической выборке. На первом этапе послойно формируется объем с частицами, для которых заданы определенные распределение, размеры и количество частиц, затем в этом объеме моделируется распространение когерентного волнового фронта (голограмма Габора). На следующем шаге производится обратное распространение волнового фронта от полученной голограммы и восстановление двух изображений объема – соседних слоев, содержащих сфокусированные частицы. На третьем этапе от двух изображений берется функция взаимной корреляции, для которой вычисляется параметр – отношение пика этой функции к ее пьедесталу. Процесс многократно повторяется с изменением концентрации и размеров частиц.
Отношение пика корреляционной функции к пьедесталу между сечениями соседних слоев объема возрастает с увеличением концентрации частиц что обусловлено увеличением неповторяющихся элементов изображений.
_______________________________________________________________________
ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука» |
271 |
Фотоника и информационная оптика
Было показано, что численное моделирование, проведенное с помощью графической среды программирования LabView, повторяет экспериментальные данные с большой долей точности. При обширной статистической выборке метод может быть откалиброван для частиц с определенными характеристиками и впоследствии может быть использован для быстрого детектирования, измерения и учета частиц в объеме, например, в задачах биологии и океанологии (учет планктона в морской воде), в изучении динамики потоков частиц, в исследовании прозрачных сред, в таких практических задачах, как впрыск топлива, сельскохозяйственные спреи, фармацевтика и другие.
Исследование зависимости отношения пика к пьедесталу функции корреляции от концентрации частиц показало, что в общем случае равномерного распределения частиц в объеме эта зависимость является линейной.
Список литературы
1.Nikolaeva T.Yu., Petrov N.V. Characterization of particles suspended in a volume of optical medium at high concentrations by coherent image processing // Opt. Eng. 2015. V.54(8). P.101.
2.Nikolaeva T.Yu., Petrov N.V. Statistical study of coherent images of particles in the volume of optical medium // Proc. SPIE. 2014. V.9216. P.921612.
3.Николаева Т.Ю., Петров Н.В. Исследование объема с высокой плотностью частиц на основе контурного и корреляционного анализа изображений // Вестник ИТМО. 2014. Т.94(6).
С.15-21.
Т.Ю. НИКОЛАЕВА Научный руководитель – Н.В. ПЕТРОВ, к.ф.-м.н.
Университет ИТМО, Санкт-Петербург
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЧАСТИЦ В ОБЪЕМЕ МЕТОДАМИ ПОРОГОВОЙ ОБРАБОТКИ И «ШАХМАТНОЙ ДОСКИ»
В данной работе рассмотрены методы пороговой обработки изображений и «шахматной доски» для задач статистического анализа распределений частиц. В результате численного исследования проведена оценка эффективности применения алгоритмов пороговой обработки сфокусированных изображений частиц и обработки спекл-изображений методом «шахматной доски» для задачи идентификации частиц в объеме.
Необходимость изучения частиц различной природы, распределенных в объеме среды, возникает во многих научных задачах атмосферной опти-
_______________________________________________________________________
272 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»
Фотоника и информационная оптика
ки [1], океанографии, биологии и медицины [2], а также в большом количестве практических задач [3].
Вданной работе объектом исследования являлось тестовое распределение рассеивающих микрочастиц в объемной среде. Объем моделировался как набор сегментов с распределением частиц необходимого размера и концентрации. В методе, основанном на оконтуривании и пороговой обработке и подробно изложенном в работе [4], для получения характеристик распределений частиц в объеме обрабатывались сфокусированные изображения частиц, расположенных в различных плоскостях объема. Было продемонстрировано, что данный метод позволяет исследовать объемы с высокой концентрацией частиц.
Вданной работе возможности указанного метода сравниваются с методом «шахматной доски» [5], который хорошо зарекомендовал себя в задачах обработки спекл-структур. В ходе ранее проведенных исследований в этой области, метод «шахматной доски» показал очень высокую чувствительность: изменение размера спекла на несколько пикселей, приводит к существенной деформации корреляционных пиков [6]. В связи с этим, интерес представляет определение потенциала данного метода в задачах идентификации частиц в водной среде.
Вотличии от методов корреляционного и вейвлет анализа, метод шахматной доски эффективно использует информацию со всего поля зрения. При этом, основным его преимуществом перед методом оконтуривания и пороговой обработки является меньшая вычислительная сложность, и как следствие, меньшее время обработки данных.
Список литературы
1.Воронецкий А.В., Михайлов В.Н., Петров Н.В., Стаселько Д.И. // Оптический Журнал. 2012. Т.79. №1. C.18–24.
2.Kim W.H., et al. // Journal of the Optical Society of Korea. 2010. V.14. No.1. P.42-48.
3.Carter R.M., Yan Y., Tomlins K. // Measurement Science and Technology. 2006. V.17. No.2. P.235.
4.Nikolaeva T.Yu., Petrov N.V. // Optical Engineering. 2015. V.54. No.8. P.083101.
5.Малов А.Н., Неупокоева А.В. // в кн. Голография. Наука и практика. Сборник трудов 10-й Международной конференции «ГолоЭкспо–2013». М.: ООО «МНГС», 2013. С.257-264.
6.Лагошный И.С., Павлов П.В., Малов А.Н., Неупокоева А.В. // XIII Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике: сборник конкурсных докладов. 2015. C.32-38.
_______________________________________________________________________
ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука» |
273 |
Фотоника и информационная оптика
А.В. ШИФРИНА Научный руководитель – Н.Н. ЕВТИХИЕВ, д.ф.-м.н., профессор
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ И УВЕЛИЧЕНИЯ КРИПТОСТОЙКОСТИ
ВСИСТЕМАХ ОПТИЧЕСКОГО КОДИРОВАНИЯ
СПРОСТРАНСТВЕННО-НЕКОГЕРЕНТНЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ ЗА СЧЁТ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО
ПРИМЕНЕНИЯ ВХОДНЫХ АМПЛИТУДНЫХ МАСОК
Предложены методы использования входных амплитудных масок в системах оптического кодирования с пространственно-некогерентным освещением для повышения отношения сигнал/шум в декодированных изображениях, а также для повышения визуальной скрытности кодированных изображений.
В настоящее время активно развиваются методы оптического кодирования информации. Методы, использующие пространственнонекогерентное освещение, обладают рядом существенных преимуществ.
Для повышения отношения сигнал/шум (ОСШ) в декодированном изображении и повышения визуальной скрытности кодированного изображения разработаны две группы методов применения входных амплитудных масок (АМ): разрежения и взаимодополняющих масок.
Методы разрежения основаны на наложении на кодируемое изображение АМ в виде бинарной двумерной решётки или её создания путём разрежения исходного изображения. Наложение решётки приводит к мультиплицированию спектра изображения. При декодировании это сохраняет большее количество информационных частот.
На рис. 1 представлен результат применения АМ. Эффективность метода оценивалась по увеличению ОСШ по сравнению с кодированием без АМ. По оси абсцисс отложено отношение величины пика на нулевой пространственной частоте в спектре ключа к среднему уровню его спектра (ОПС). Данный параметр напрямую связан с криптостойкостью ключа. Наиболее эффективный метод группы разрежения показал среднее увеличение ОСШ по сравнению с кодированием без АМ в 2 раза.
Возможно совместное использование методов разных групп с целью обеспечения одновременного увеличения ОСШ и повышения визуальной скрытности. На рис. 2 представлены примеры кодированных и декодированных изображений.
_______________________________________________________________________
274 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»
Фотоника и информационная оптика
Рис. 1. Зависимость величины увеличения отношения сигнал/шум при применении входной АМ по сравнению с кодированием без АМ
от ОПС ключей кодирования
а |
б |
в |
г |
Рис. 2. Кодированные изображения: без АМ (а) и с их использованием (б). Фрагменты соответствующих декодированных изображений: без АМ (в), с АМ (г)
Результаты проведённых численных экспериментов демонстрируют, что визуальная скрытность при использовании амплитудных масок увеличивается более чем в 10 раз, отношение сигнал/шум увеличивается в среднем в 2 раза.
_______________________________________________________________________
ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука» |
275 |
Фотоника и информационная оптика
А.П. БОНДАРЕВА, И.Ю. ЭРЬКИН Научный руководитель – В.В. КРАСНОВ, к.ф.-м.н.
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ОПТИЧЕСКОЕ КОДИРОВАНИЕ СЕРИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАБОРА КОДИРУЮЩИХ КЛЮЧЕЙ В СХЕМЕ
С ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕКОГЕРЕНТНЫМ ОСВЕЩЕНИЕМ НА БАЗЕ ДВУХ ЖК ПВМС
Проведено оптическое кодирование и численное декодирование серии тестовых изображений с использованием набора различных кодирующих ключей в схеме с пространственно-некогерентным освещением на базе двух ЖК ПВМС. Проведен анализ полученных результатов.
Схема оптического кодирования изображений с пространственнонекогерентным освещением на базе двух ЖК ПВМС подробно описано в работе [1]. В качестве кодируемых изображений использовались тестовые (256-градационные) изображения размером 128×128 отсчетов, приведенные в таблице 1. В качестве кодирующих дифракционных оптических элементов (ДОЭ) использовались киноформы [2].
В качестве объектов кодирования использовалось 7 различных изображений размером 128×128 отсчётов с 256 градациями яркости (см. таблицу 1). Каждое изображение кодировалось с использованием 7 различных случайных ключей кодирования. Ключи имели 64×64 отсчетов, их нормированная средняя энергия составляла 0,005.
На рис. 1 представлен пример оптического кодирования изображения.
а б в Рис. 1. Пример оптического кодирования изображения: ключ кодирования (а),
кодированное с использованием этого ключа изображение (б), а также соответствующее ему численно декодированное изображение (в)
_______________________________________________________________________
276 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»
Фотоника и информационная оптика
Декодирование осуществлялось численно с использованием метода инверсной фильтрации с регуляризацией по Тихонову [3]. Оценка качества декодированных изображений производилась путём расчёта нормированного среднеквадратичного отклонения (НСКО) декодированных изображений от исходных. Значения НСКО декодированных изображений приведены в таблице 1.
Таблица 1. Кодируемые изображения и соответствующие им значения НСКО
0,154±0,007 |
0,212±0,005 |
0,234±0,012 |
0,271±0,008 |
0,155±0,015 |
0,231±0,012 |
0,145±0,007 |
Результаты проведённых экспериментов демонстрируют успешное кодирование и декодирование серии тестовых изображений с использованием набора различных кодирующих ключей. НСКО декодированных изображений лежит в диапазоне 0,15÷0,27.
Список литературы
1. Bondareva A.P., Cheremkhin P.A., Evtikhiev N.N., Krasnov V.V., Starikov S.N. Scheme of optical image encryption with digital information input and dynamic encryption key based on two LC SLMs // Physics Procedia. 2015. V.73. P.320-327.
2. Bondareva A.P., Cheremkhin P.A., Evtikhiev N.N., Krasnov V.V., Rodin V.G., Starikov S.N. Optical encryption in spatially-incoherent light using two LC SLMs for both information input and encryption element imaging // Proceedings of SPIE. 2014. V.9249. P.924915.
3. Арсенин В.Я., Тихонов А. Н. Методы решения некорректных задач. М., Наука, 1979.
_______________________________________________________________________
ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука» |
277 |
Фотоника и информационная оптика
С.А. БЕРДЫШЕВА Научный руководитель – В.В. КРАСНОВ, к.ф.-м.н.
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ОПТИЧЕСКОЕ КОДИРОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ ИНФОРМАЦИИ В ВИДЕ QR-КОДОВ
В ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕКОГЕРЕНТНОМ МОНОХРОМАТИЧЕСКОМ СВЕТЕ
Представлены результаты экспериментов по оптическому кодированию и численному декодированию цифровой информации представленной в виде QR-кодов. Кодирование QR-кодов осуществлялось посредством схемы оптического кодирования изображений с пространственно-некогерентным монохроматическим освещением на базе двух ЖК ПВМС. Кодированные QR-коды успешно декодированы, частота появления ошибок составила (8,7±0,9)·10-4.
Внастоящее время все большую популярность приобретают QR-коды, представляющие собой матричные коды, содержащие алфавитные буквы, символы и цифры.
Установка кодирования построена на базе двух жидкокристаллических пространственно-временных модуляторах света (ЖК ПВМС), служащих для ввода цифровой информации (ПВМС1) и для отображения кодирующего дифракционного оптического элемента (ПВМС2), в качестве которого использовались киноформы. После прохождения монохроматического пространственно-некогерентного лазера через систему, состоящую из двух ЖК ПВМС и систему линз, на фотосенсоре камеры образуется изображение, представляющее собой свертку кодируемого QR-кода и импульсного отклика киноформа.
Вкачестве объектов кодирования использовалось 7 различных кодов QR-кодов размером 129×129 отсчётов. Каждый QR-код кодировался с использованием 7 различных случайных ключей кодирования. Ключи имели 64×64 отсчетов, их нормированная средняя энергия – 0,005.
Пример оптического кодирования и численного декодирования изображения QR-кода представлен на рис. 1.
_______________________________________________________________________
278 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»
Фотоника и информационная оптика
б
а
г
в
Рис. 1. Пример оптического кодирования изображения QR-кода: исходный QR-код (а), отображаемый на ПВМС1, кодируется функцией рассеяния точки кодирующего дифракционного оптического элемента (б), отображаемого ПВМС2, кодированное изображение (в) регистрируется камерой и затем численно декодируется (г)
Численное декодирование производилось с использованием метода инверсной фильтрации с регуляризацией по Тихонову [2]. После декодирования производилось сведение растров декодированного изображения с исходным корреляционным методом. Далее, производился подсчет ошибок. Полученное число ошибок для различных QR-кодов и ключей лежит в диапазоне 13÷16, частота появления ошибок составляет (8,7±0,9)·10-4.
Список литературы
1.Bondareva A.P., Cheremkhin P.A., Evtikhiev N.N., Krasnov V.V., Starikov S.N. Scheme of optical image encryption with digital information input and dynamic encryption key based on two LC SLMs // Physics Procedia. 2015. V.73. P.320-327.
2.Арсенин В.Я., Тихонов А.Н. Методы решения некорректных задач. М., Наука, 1979.
_______________________________________________________________________
ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука» |
279 |
Фотоника и информационная оптика
А.В. БЕЛАШОВ Научный руководитель – Н.В. ПЕТРОВ, к.ф.-м.н.
Университет ИТМО, Санкт-Петербург
СЛУЧАЙНЫЕ И СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ ОШИБКИ
ВЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ
Вработе представлены результаты изучения влияния случайных и систематических ошибок, возникающих в ходе эксперимента, на качество восстановления трехмерного распределения показателя преломления. Исследована возможность улучшения качества восстановления при наличии экспериментальных погрешностей за счет увеличения количества зарегистрированных цифровых голограмм.
Методы цифровой голографической томографии, позволяющие восстанавливать трехмерные распределения показателя преломления исследуемого объекта, широко используются для решения задач неразрушающего контроля неорганических структур [1] и неинвазивного исследования биологических объектов [2]. Быстрое развитие этих методов, привело к разработке алгоритмов, позволяющих наблюдать динамику изменения показателя преломления в объекта с высоким пространственным разрешением в реальном времени.
Как правило, в рамках данного подхода вначале производится восстановление и развертка фазовых набегов волнового фронта, прошедшего через исследуемый объект под различными углами. Затем полученные распределения подаются в качестве входных данных в томографический алгоритм [3]. В результате обработки происходит восстановление данных о величине фазового набега в каждой элементарной ячейке, которые затем могут быть переведены в значения показателя преломления.
В рамках данной работы было исследовано влияние случайных и систематических экспериментальных погрешностей на качество восстановления исходных данных. Для этого было проведено численное моделирование процесса прохождения волнового фронта через объекты с заданным распределением показателя преломления при различных конфигурациях оптической системы, а также процесс записи цифровых голограмм при различных соотношениях сигнал/шум. Затем проводилось восстановление полученных интерференционных картин, а также их последующая обработка с помощью томографического метода обратного распространения [3]. Для контроля качества работы данного алгоритма восстановленные
_______________________________________________________________________
280 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»