В данной работе рассматриваются телевизионные камеры на основе датчиков с накоплением энергии, получившие распространение в технических и теплофизических исследованиях материалов. Главной особенностью является бесконтактность и безинерционность телевизионных измерительных систем (ТИС), в результате чего возможно проведение экспресс-диагностики материалов и быстропротекающих процессов. Задачей является определение разрешающей способности ТИС, что является важным критерием количественной оценки качества изображения.

Рассматриваемая ТИС имеет в своем составе в качестве основных узлов:

а) оптическая система - 2 объектива 2,8/50 и 3,5/150;

б) телевизионный датчик- камера Samsung Magicam VP-A12;

в) устройство ввода изображений в ЭВМ-Видеобластер Creative RT-300;

г) ЭВМ.

Для оптической системы разрешающая способность определяет число линий или предметных точек, которые возможно изобразить на отрезке длиной 1 мм. Исходя из теории дифракции разрешающая способность N_о объектива определяется радиусом d _о центрального кружка дифракционной картины изображения точки: N_о =1/d _о , (1)

где d _о = 1.22l f/D ; l - длина волны, мм; f - фокусное расстояние объектива, D - диаметр входного зрачка объектива, мм. У данного объектива (f=150мм) N_о=240 мм^-1. Однако в реальных объективах изображение точки зависит от наличия остаточных аберраций. При этом диаметр кружка в пятне рассеяния увеличивается при удалении точки от центра поля. За счет перераспределения освещенности между центральным кружком и кольцами изображения двух соседних точек будут менее контрастными, что ухудшает качество изображения, но сохраняет приемлемую разрешающую способность. Значение N_о реальных объективов меньше вычисленного по формуле (1) в 2 раза и более и считается отличным при N_о>50 мм^-1.

Изменение разрешающей способности ТИС за счет оптической системы производится регулировкой объектива или заменой на другой. Разрешающая способность телевизионного датчика(камеры) в основном зависит от размеров фотодиодной ячейки матрицы ФПЗС. В современных секциях накопления матрицы (размеры порядка 500х500 элементов) размеры электронной ячейки составляют менее 20 мкм. Камера является вполне законченным устройством и увеличение разрешающей способности за счет телевизионного датчика возможно только использованием другой камеры.

Разрешающая способность видеобластера зависит от частоты дискретизации, что означает разрешение изображения на мониторе ЭВМ. Обычно размеры получаемого изображения(в пикселях) выбираются порядка размеров (в элементарных ячейках) секции накопления матрицы ФПЗС.

Однако для решения координатно-временной задачи, включающей в себя определение пространственного положения объекта во времени, необходимо учитывать производительность ЭВМ. При установке высокого разрешения видеобластера и частоты кадров 25 к/с происходят потери кадров. Например, при разрешении видеобластера 320х240 потери информации составляют 20%, а при 640х480 достигают 50% . Поэтому при регистрации быстропротекающих процессов предстоит сделать выбор между качеством изображения и временными характеристиками динамического движения.

Следует отметить, что в некоторых устройствах ввода изображений в ЭВМ при увеличении разрешения изображения реальная разрешающая способность не меняется (частота дискретизации остается прежней), а только дублируются пиксели (яркость соседних точек равна или зависит линейно). В простейшем случае проверка производится сравнением яркостей нескольких пар пикселей. Для более глубокого исследования необходима обработка изображения программными средствами для поиска закономерностей изменения яркости точек.

Можно сделать вывод, что разрешающая способность ТИС зависит от каждого блока, входящего в ее состав. В то же время камера, видеобластер и ЭВМ обычно используются для фиксирования как крупных так и мелких объектов и тогда большую роль играет выбор оптической системы в зависимости от размеров объекта и расстояния .

Рис. 1

Например, у данной ТИС при наблюдении объекта с заданными размерами на расстоянии 20см (рис. 1) разрешающая способность достигала 37мкм/пиксель (при разрешении видеобластера 640х480 и объективе 2,8/50).

Для решения задач определения координат с точностью 40 мкм данная ТИС применима при любых размерах объекта при условии, что ячейки регистрируют его яркость. Вычисление координат точечного объекта вычисляется по цифровым координатам “центра тяжести” так же как и для вычисления параметров протяженного объекта (рис. 2) по формулам :

i=å [n(i,j)*i]/å n(i,j) и j=å [n(i,j)*j]/å n(i,j).

Рис. 2. Расчет координат объекта по данным

Рис. 2 дает следующий результат: i=3,8 ; j=2,9 , отличающийся повышенной (до долей элемента разложения) точностью отсчета координаты. Достоверность полученного результата - предмет особого рассмотрения с учетом флуктуационных ошибок, а также ошибок дискретизации и квантования. Здесь же пока отметим, что распределение яркости по полю изображения объекта дает дополнительную информацию о его местоположении и позволяет увеличить точность определения координат и размеров по сравнению с точечным объектом с точностью до десятых долей элемента разложения.

При решении координатно-временной задачи, например, при исследованиях СВС (самораспространяющегося высокотемпературного синтеза) важно знать распределение яркостей в областях, которые определяются разрешением ТИС. В этих задачах достаточно однозначно сопоставить определенную температуру (определяемую по яркости пикселя) той минимальной области (размер пикселя), которая сравнима с реальными размерами частиц в 40 мкм.

На основе вышеизложенного материала можно сделать выводы:

1. С использованием данной ТИС возможно фиксировать координаты точечных объектов с точностью 40 мкм.
2. Размеры протяженных объектов определяются с точностью до десятых долей элемента разложения, размеры которого для данной ТИС составляют 40 мкм.
3. При наблюдении быстропротекающих процессов (СВ-синтез) можно однозначно сопоставить температуру области не менее 40мкм.

Литература

1. Заказнов Н.П. Прикладная оптика – М.: Машиностроение, 1988. - 312 с.

2. Казанцев Г.Д.Курячий М.И. Измерительное телевидение М.: Высшая школа, 1994 - 288 с.

3. Пресс Ф.Н. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. – М.: Мир, 1976 - 511 с.