Институт в фотографиях

2020

Том 56 № 1 2020 (ЯНВАРЬ – ФЕВРАЛЬ)

СОДЕРЖАНИЕ НОМЕРА

АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИГНАЛОВ И ИЗОБРАЖЕНИЙ

 

1. Гибин И. С., Козик В. И., Нежевенко Е. С. Генерация изображений в инфракрасном диапазоне на основе микрозеркальных технологий

Аннотация:

Проанализированы принципы построения проекторов инфракрасных сцен на основе микрозеркальных технологий как одних из наиболее перспективных устройств для генерации ИК-изображений. Рассмотрены несколько типов проекторов, созданных на этих принципах и рассматриваемых с точки зрения функциональности, минимизации шумов, диапазона длин волн, в котором генерируются изображения. Представлены проблемы, которые возникают при конструировании проекторов инфракрасных сцен, базирующихся на DMD-технологиях, при генерации длинноволновых ИК-изображений.

Страницы: 3-12
DOI: 10.15372/AUT20200101

2. Пен Е. Ф. Особенности спектральных свойств объёмных отражательных голограмм диффузных объектов

Аннотация:

Определены особенности спектральных свойств объёмных отражательных голограмм диффузных объектов, заключающиеся в уширении контура спектрального отклика (рефлекса) как в коротковолновую, так и в длинноволновую области спектра в случае отличия угла падения зондирующего пучка белого света от направления распространения опорной волны при записи голограмм. Этот эффект существенно отличается от известного случая угловой зависимости рефлекса элементарной объёмной отражательной решётки. Дано теоретическое объяснение экспериментальным данным, выведены формулы, по которым выполнены расчёты спектров пропускания исследуемых решёток, качественно согласующиеся с экспериментом.

Страницы: 13-22
DOI: 10.15372/AUT20200102

3. Шипко В. В. Фильтрация шума на гиперспектральных изображениях

Аннотация:

Предложен подход к фильтрации гиперспектральных изображений, искажённых гауссовским аддитивным шумом, основанный на использовании свойства межканальной избыточности таких изображений. Разработанный алгоритм фильтрации шума позволяет сохранить контурный и яркостный портреты объектов в отдельных компонентах гиперспектрального изображения в отличие от алгоритмов линейной покомпонентной и векторной фильтрации, а также алгоритма усреднения по набору компонент. Полученные результаты численных исследований свидетельствуют о преимуществе межканальной градиентной реконструкции в точности восстановления искажённых аддитивным шумом компонент гиперспектральных изображений. Показана эффективность предложенного подхода на примере обработки реальных гиперспектральных изображений.

Страницы: 23-32
DOI: 10.15372/AUT20200103

4. Лысаков К. Ф., Облаухов К. К., Шадрин М. Ю. Реализация на базе FPGA алгоритмов выявления искажений изображения в результате компрессии

Аннотация:

Рассмотрена реализация алгоритмов сравнительного анализа качества телевизионного изображения. Для обеспечения возможности непрерывной работы в темпе поступления данных предложено использование платформы Xilinx Zynq-7000, совмещающей преимущества FPGA и процессора общего назначения. Предлагается программная архитектура алгоритмов сравнения качества видеосигнала методом измерения с полным эталоном.

Страницы: 33-38
DOI: 10.15372/AUT20200104

5. Власов Е. В., Бартош В. С., Кузиковский С. А. Визуальное восприятие пространства в мультифокальных трёхмерных дисплеях, стимулирующих аккомодацию

Аннотация:

Анализируется влияние устройства просмотра — мультифокального 3D-дисплея — на визуальное восприятие и оценку пользователем глубины и размеров объектов. В качестве модели эксперимента выбрана методика Холуэя — Боринга, доказавшая, что в восприятии признаков расстояния решающая роль принадлежит константности восприятия размера. Проведённая серия экспериментов показывает, что мультифокальные 3D-дисплеи предоставляют достаточно надёжную информацию об удалённости и размерах предметов, что позволяет не нарушать закона константности восприятия.

Страницы: 39-45
DOI: 10.15372/AUT20200105

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ В НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

6. Мостовой Я. А., Бердников В. А. Оптимизация управления группой подвижных объектов в условиях неопределённости

Аннотация:

Рой подвижных объектов координирует положение отдельных своих объектов для того, чтобы решить одновременно распределённым образом заданную общую задачу. При планировании операций роя возникает задача учёта возможности его оперативной перегруппировки, так как точная цель операции роя или ещё не определена, или представляет секрет, или задаётся рядом случайных обстоятельств. При этом ресурсов роя недостаточно для одновременного заданного покрытия всех возможных целей в зоне обслуживания. Поэтому исполнение операции роя целесообразно проводить в две фазы и первую предварительную фазу начинать ещё до разрешения упомянутых неопределённостей путём создания базовой сети с относительно малой концентрацией объектов роя в ней. В этом случае можно существенно сократить время проведения операции. Во второй фазе операции путём локальной одновременной перегруппировки объектов роя, занимающей минимальное время, формируется программируемый перколяционный путь, обеспечивающий целевое покрытие зоны обслуживания. Решение этой задачи проводится методами теории программируемой перколяции. Численно с использованием результатов статистического моделирования двухфазных операций и аналитически получено значение концентрации объектов роя, обеспечивающее минимум суммарных затрат двухфазной операции. Рассмотрена синергетика информационного взаимодействия роя объектов при реализации программируемого перколяционного пути.

Страницы: 46-58
DOI: 10.15372/AUT20200106

7. Тимофеев А. В., Грознов Д. И. Классификация источников сейсмоакустической эмиссии в оптоволоконных системах мониторинга протяжённых объектов

Аннотация:

Предложен новый метод автоматической классификации источников сейсмоакустической эмиссии в оптоволоконных системах мониторинга, основанных на принципах оптической рефлектометрии во временной области с использованием восстановления фазы интерференционного сигнала во времени. Новизна подхода заключается в оригинальных принципах формирования пространства классификационных признаков и применении классификаторов ансамблевого типа. Такой метод работоспособен при условии применения сравнительно небольшой по объёму обучающей базы данных. Показана высокая практическая эффективность предложенного подхода при работе на реальных данных. Равномерно по различным классам целей достигнута величина надежности классификации, прежде недоступная для альтернативных методов классификации, реализуемых в серийных оптоволоконных системах мониторинга.

Страницы: 59-73
DOI: 10.15372/AUT20200107

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

8. Арбузов В. А., Арбузов Э. В., Дубнищев Ю. Н., Золотухина О. С., Лукашов В. В. Восстановление методами гильберт-оптики поля температуры при горении предварительно перемешанных пропано-воздушных смесей

Аннотация:

Струйное горение предварительно перемешанных пропано-воздушных смесей имеет широкий спектр применения в различных устройствах. Проводится исследование пламени методами гильберт-оптики. Адаптированная к изучению проблем горения диагностика основана на визуализации фазовых возмущений, индуцированных в зондирующем световом поле исследуемой средой, путём использования полихроматических преобразований Гильберта и Фуко — Гильберта в сочетании с попиксельной обработкой динамической структуры регистрируемых изображений. Диагностический комплекс реализован на базе серийного прибора ИАБ-463М с модифицированными узлами оптической фильтрации, источника и обработки информации. Визуализирована динамическая фазовая структура пропано-воздушного пламени. В реперных точках горящей струи с помощью термопар измерены значения температуры. На осесимметричных участках из гильбертограмм восстановлена фазовая функция и с применением обратного преобразования Абеля реконструировано температурное поле пламени.

Страницы: 74-82
DOI: 10.15372/AUT20200108

9. Антипин А. Ф., Антипина Е. В. Моделирование технологических процессов и объектов на основе нечёткой логики с использованием многомерных интервально-логических регуляторов

Аннотация:

Рассматриваются особенности нечёткого моделирования технологических процессов и объектов, для которых невозможно или затруднительно построение адекватных математических моделей, с использованием многомерных интервально-логических регуляторов. Описываются предлагаемые алгоритмы и разработанное программное обеспечение. Приводятся результаты расчётов с применением способов нечёткого моделирования, показывающих высокую точность.

Страницы: 83-92
DOI: 10.15372/AUT20200109

10. Кондратьев А. Ю., Гончаренко А. И. Исследование применимости низкоразрядных представлений чисел с плавающей запятой для эффективных вычислений в нейронных сетях

Аннотация:

Изучена возможность работы нейронных сетей на типах данных низкой разрядности с плавающей запятой (minifloat). Выполнены вычисления с использованием аккумулятора float16 для промежуточных вычислений. Осуществлена проверка качества работы на свёрточных нейронных сетях GoogleNet, ResNet-50, MobileNet-v2, а также на рекуррентной сети DeepSpeech-v01. Эксперименты показали, что качество работы указанных нейронных сетей с 11-разрядными minifloat не уступает качеству работы сетей со стандартным типом float32 без проведения дополнительного обучения. Результаты свидетельствуют о том, что числа с плавающей запятой низкой разрядности можно использовать для создания эффективных вычислителей, специализирующихся на работе нейронных сетей.

Страницы: 93-99
DOI: 10.15372/AUT20200110

11. Аульченко В. М., Жуланов В. В., Шехтман Л. И. Разработка специализированной интегральной схемы для регистрации сигналов в экспериментах по изучению быстропротекающих процессов

Аннотация:

Представлена разработка новой интегральной схемы, предназначенной для считывания сигналов в кремниевом микрополосковом детекторе в условиях экспериментов по наблюдению быстропротекающих процессов на пучке синхротронного излучения. Первые варианты такой схемы были установлены в прототипе детектора на основе микрополоскового кремниевого сенсора и тестировались на интенсивном пучке синхротронного излучения на накопителе ВЭПП-4М в Институте ядерной физики СО РАН. Результаты первых измерений показывают, что основные задачи этой разработки достигнуты: временное разрешение, частота смены кадров удовлетворяют первоначальным спецификациям, а максимальный регистрируемый сигнал в линейном режиме работы позволяет существенно увеличить регистрируемый поток фотонов по сравнению с предыдущей версией детектора, базирующейся на газовой технологии. Главной проблемой, обнаруженной при испытаниях прототипа, является сравнительно высокий уровень шума, который будет понижен в следующей версии интегральной схемы благодаря оптимизации некоторых схемных решений.

Страницы: 100-108
DOI: 10.15372/AUT20200111

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРО- И ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

12. Угожаев В. Д. Вращательная перестройка периода голографической решётки в беззеркальном интерферометре с неподвижным фотоприёмником

Аннотация:

В рамках геометрической оптики проведён анализ вращательной перестройки периода интерференционной картины, формируемой сходящимися световыми пучками на фотоприёмнике, неподвижном относительно беззеркального двухлучевого интерферометра на основе светоделительного кубика. Выведены уравнения, решения которых представляют собой зависимости диапазона перестройки от базового положения исходного светового пучка на входной поверхности кубика и от диаметра этого пучка. Указанные зависимости получены для нескольких значений показателя преломления материала кубика, показана значимость этого параметра для характеристик исследованного интерферометра.

Страницы: 109-123
DOI: 10.15372/AUT20200112

13. Рыбак А. А., Николаев Н. А., Кузнецов С. А., Yang Sh.-H. Применение ёмкостных микроструктур в качестве антиалиасных фильтров для задач широкополосной импульсной терагерцовой спектроскопии

Аннотация:

Впервые рассмотрен подход, основанный на применении высокоэффективных ёмкостных микроструктур в качестве антиалиасных (anti-aliasing) фильтров в широкополосной импульсной терагерцовой спектроскопии в случае низкочастотных (субтерагерцовых) измерений. Подход апробирован при измерении спектров эталонных образцов — полосовых пропускающих фильтров с центральными частотами 156 и 376 ГГц и шириной полосы 12 %. Показано уменьшение времени измерения спектрометра до 12 раз при повышении точности измерений за счёт нивелирования долговременного дрейфа нормировочного сигнала. Предполагается, что данный подход применим для увеличения динамического диапазона и отношения сигнал/шум спектрометра в субтерагерцовом диапазоне.

Страницы: 124-132
DOI: 10.15372/AUT20200113

Том 56 № 2 2020 (МАРТ – АПРЕЛЬ)

СОДЕРЖАНИЕ НОМЕРА

ОПТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

 

1. Грейсух Г. И., Данилов В. А., Ежов Е. Г.,  Антонов  А.И. Метаповерхности в оптике: физические основы и достигнутые результаты. Обзор

Аннотация:

Представлен обзор современного состояния в области разработок и перспектив использования метаповерхностей в оптике, в частности в голографии. Особое внимание уделено физике управления задержкой фазы рассеиваемого метаатомами излучения, а также трансформации фронта падающей волны метаповерхностью. На ряде примеров продемонстрирована эффективность фокусировки излучения и формирования голографического изображения метаповерхностями различных типов.

Страницы: 5-19
DOI: 10.15372/AUT20200201

2. Бессмельцев В. П., Вилейко В. В., Максимов М. В. Метод измерения основных параметров цифровых защитных голограмм для экспертного анализа и оперативного контроля их качества

Аннотация:

Разработаны метод и устройство измерения основных параметров синтезированных защитных голограмм с использованием возможностей микроскопии микронного разрешения и дифрактометрии с мультиугловой системой освещения. При последовательном освещении под различными углами коллимированными монохроматическими источниками света поверхности голограммы в поле наблюдения специального цифрового микроскопа и обработке полученных изображений формируется информационная карта поверхности, которая содержит данные об основных параметрах «голопикселей», составляющих структуру защитной голограммы (шаге дифракционных решёток, их угловой ориентации, нормированной интенсивности отражённого света), а также совмещённое с указанной картой изображение поверхности голограммы в рассеянном свете. Перемещениями исследуемой голограммы в плоскости фокуса цифрового микроскопа на расстояние, равное полю наблюдения микроскопа, с последующей «сшивкой» полученных данных достигается построение информационной карты всей поверхности голограммы с микронным разрешением.

Страницы: 20-33
DOI: 10.15372/AUT20200202

3. Евтихиев Н. Н., Краснов В. В., Молодцов Д. Ю., Родин В. Г., Стариков Р. С., Черёмхин П. А. Применение микрозеркального модулятора света для оптического кодирования с временным интегрированием

Аннотация:

Рассмотрена возможность применения микрозеркального модулятора при реализации операции оптического кодирования с временным интегрированием в квазимонохроматическом пространственно-некогерентном свете. Представлена экспериментальная установка для оптической регистрации закодированных изображений на цифровую камеру. Проведено кодирование изображений, содержащих текстовую и графическую информацию; методом инверсной фильтрации осуществлено успешное декодирование зарегистрированных изображений. Применение временного интегрирования при оптическом кодировании позволило снизить шумы, возникающие из-за бинаризации выводимых на модулятор голограмм, которые содержат ключи кодирования, и повысить дифракционную эффективность процесса кодирования.

Страницы: 34-41
DOI: 10.15372/AUT20200203

4. Корольков В. П., Насыров Р. К., Седухин А. Г., Белоусов Д. А., Куц Р. И.  Новые методы изготовления высокоапертурных компьютерно-синтезированных голограмм для формирования эталонных волновых фронтов в интерферометрии

Аннотация:

Применительно к задаче интерферометрического контроля сферических и асферических поверхностей с высокими угловыми апертурами проведён анализ факторов, вызывающих паразитные искажения интерферограмм в системах контроля на базе эталонных однокомпонентных высокоапертурных компьютерно-синтезированных голограмм (КСГ), которые выполнены на плоских подложках и имеют бинарно-фазовую структуру. Для совершенствования качества таких КСГ использованы методы, средства и регистрирующие материалы (плёнки титана и хрома), пригодные для технологии прямой лазерной записи их дифракционной структуры, которая обеспечивает формирование интерферограмм с минимальными паразитными искажениями. В частности, для уменьшения вариаций контраста формируемой интерферограммы предложено осуществлять модуляцию локального коэффициента пропускания структуры КСГ путём модуляции скважности дифракционных зон. Обсуждены возможности применения термохимической лазерной технологии записи на плёнках титана и хрома для изготовления высокоапертурных голограмм с относительным отверстием f/1 и более.

Страницы: 42-54
DOI: 10.15372/AUT20200204

5. Одиноков С. Б., Смык А. Ф., Шурыгин А. В. Формирование динамических и бинокулярных объёмных изображений в защитных голограммах с нулевым порядком дифракции

Аннотация:

Рассмотрены варианты реализации одного из видов голограмм нулевого порядка — трекограммы для формирования защитных признаков для неэкспертной проверки их подлинности. Объёмное изображение в трекограммах формируется бликами на стенках тороидальных поверхностей-треков, представляющих собой рельефные полосы на регистрирующем материале. Вариациями формы треков, их протяжённости и количества участков различных треков в одной точке изображения можно получить защитные признаки, удобные для неэкспертной идентификации голограмм. Размеры и глубины треков совместимы с обычной технологией тиснёных голограмм. Приведены фотографии голограмм, формирующих изображения в белом свете.

Страницы: 55-61
DOI: 10.15372/AUT20200205

6. Каленков С. Г., Каленков Г. С. Цифровая гиперспектральная голография

Аннотация:

Рассмотрены способ и оптическая схема регистрации цифровых гиперспектральных голограмм в свете некогерентного источника. В состав оптической схемы входит интерферометр со сканирующим зеркалом для генерации опорных волн. Набор комплексных амплитуд объектного поля вычисляется путём фурье-преобразования интерферограмм в каждом пикселе матрицы регистрации. Приведены экспериментальные результаты голографических изображений микрообъектов, полученных на различных оптических схемах: на просвет и на отражение. Рассмотрена схема интерферометра общего пути, в которой опорная волна является частью объектного поля.

Страницы: 62-68
DOI: 10.15372/AUT20200206

МОДЕЛИРОВАНИЕ В ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

7. Скиданов Р. В., Досколович Л.  Л., Васильев В.С., Ганчевская С. В., Бланк В. А., Подлипнов В. В., Казанский Н. Л. Спектральные дифракционные линзы для формирования источника света с излучением нескольких заданных длин волн

Аннотация:

Предлагается использование спектральных дифракционных линз, имеющих фокус одинакового положения нескольких заданных длин волн в качестве основы для точечного источника света с несколькими заданными длинами волн. Рассмотрена спектральная дифракционная линза, предназначенная для фокусировки трёх длин волн: 462, 608, 952 нм (длины волн для возбуждения флюоресценции тубулина β). Для изготовления спектральных линз применялся метод прямой лазерной записи по фоторезисту с итеративной коррекцией параметров записи, что обеспечило погрешность формирования высоты дифракционного микрорельефа менее 30 нм. Представлен эксперимент по определению длин волн, фокусируемых полученной линзой, который основан на использовании точечной диафрагмы, расположенной в фокусе спектральной линзы.

Страницы: 69-76
DOI: 10.15372/AUT20200207

8. Хонина С. Н., Карпеев С. В., Подлипнов В. В., Паранин В. Д., Порфирьев А. П., Казанский Н. Л. Структурное и поляризационное преобразования лазерных пучков в анизотропных кристаллах

Аннотация:

Представлен краткий обзор работ, посвящённых теоретическим и экспериментальным исследованиям структурных и поляризационных преобразований лазерных пучков в анизотропных кристаллах, определены возможности создания лазерных пучков со сложным поляризационно-фазовым состоянием. Показано, что адаптивная подстройка структурных и поляризационно-фазовых состояний может осуществляться относительно медленными изменениями параметров оптической системы и быстрыми электрооптическими методами модуляции с высоким быстродействием.

Страницы: 77-83
DOI: 10.15372/AUT20200208

9. Евтихиев Н. Н., Краснов В. В., Стариков Р. С., Шифрина А. В. Многофакторная модель системы оптического кодирования с пространственно-некогерентным освещением

Аннотация:

Предложена многофакторная модель системы оптического кодирования с пространственно-некогерентным освещением. Данная модель учитывает влияние шумов регистрирующего фотосенсора, изменения растров изображений при прохождении через оптическую систему, паразитной засветки и шумов синтеза кодирующего дифракционного оптического элемента на качество декодированного изображения. Показано, что предложенная модель хорошо соотносится с оптическим экспериментом (ошибка декодирования отличается не более чем на 6 %).

Страницы: 84-91
DOI: 10.15372/AUT20200209

10. Ганжерли Н. М., Гуляев С. Н., Маурер И. А., Архипов А. В. Механизмы создания рельефных высокочастотных голографических структур на бихромированном желатине, облучённом коротковолновым УФ-излучением

Аннотация:

Рассмотрено применение двух видов альтернативного воздействия на желатин в слоях бихромированного желатина (БХЖ): структурирования с помощью избирательного светового дубления излучением He—Cd-лазера (λ = 440 нм) и деструкции, осуществляемой облучением слоёв коротковолновым УФ-излучением (λ < 270 нм). Показана решающая роль УФ-облучения образцов в формировании высокочастотных рельефно-фазовых решёток с дифракционной эффективностью более 50 % на слоях БХЖ толщиной менее 2 мкм. Отмечено, что применение традиционных методов обработки слоёв БХЖ приводит к сглаживанию рельефа за счёт влияния сил поверхностного натяжения на высоких пространственных частотах. Кроме того, существенное расширение области регистрируемых пространственных частот (до 1500 мм−1) для записи рельефных голографических решёток достигнуто применением усовершенствованной методики обработки желатина, основанной на сокращении времени водных процедур, и использованием изопропаноловых ванн для быстрого обезвоживания слоя.

Страницы: 92-99
DOI: 10.15372/AUT20200210

11. Балбекин Н. С., Венедиктов  В. Ю., Венедиктов Д. В., Петров Н. В., Коновалов Р. С., Пулькин С. А., Севрюгин А. А., Турсунов И., Шоев В. И. Цифровое голографическое увеличение чувствительности интерферограмм

Аннотация:

Представлены результаты экспериментальных исследований и схемы записи голограмм цифровым способом с использованием пространственных модуляторов света. Описано применение голографических интерференционных методов для измерения неровностей наномасштаба на примере наноступеньки (высотой 70 нм и шириной 30 мкм). Приведены примеры реализации метода увеличения чувствительности для измерений наноступеньки и метода крюков цифровым способом. Доказана вероятность реализации метода коррекции внутренних искажений системы в интерферометре. Показано, что применение голографических интерференционных методов с использованием цифровой обработки голограмм позволяет повысить чувствительность интерферограмм без потери основной информации об объекте и без увеличения точности измерений.

Страницы: 100-108
DOI: 10.15372/AUT20200211

12. Корешев С. Н., Смородинов Д. С., Фролова М.А., Старовойтов С. О. Влияние структуры и формы представления объекта на изображающие свойства синтезированных проекционных голограмм

Аннотация:

Приведены результаты исследования влияния структуры объекта и формы его представления на качество, разрешающую способность и глубину резкости изображений, восстанавливаемых с помощью бинарных синтезированных голограмм-проекторов. Критерием качества выбрана степень соответствия восстановленного изображения объекту, оцениваемая как диапазон градаций порога при пороговой обработке восстановленного изображения, при котором его структура полностью соответствует структуре исходного объекта. Разработан метод проекционной голографической фотолитографии, основанный на математическом моделировании реальных физических процессов синтеза и восстановления голограмм плоских бинарных транспарантов.

Страницы: 109-117
DOI: 10.15372/AUT20200212

13. Курбатова Е. А., Родин В. Г., Черёмхин П. А. Итеративная бинаризация цифровых голограмм с применением метода диффузии ошибки

Аннотация:

Бинаризация цифровых голограмм используется для хранения и оперативной передачи зарегистрированной информации, а также для оптического восстановления изображений с использованием бинарных микрозеркальных модуляторов света. Рассмотрены возможности бинаризации оптически зарегистрированных голограмм итеративными методами с применением операции диффузии ошибки на каждом шаге изменения порога бинаризации или только на финальной итерации. Проведены анализ варьирования параметров методов и сравнение качества восстановленных изображений с бинаризованных голограмм. Определено, что метод с применением операции диффузии ошибки только на финальной итерации повышает качество восстановления изображений на 12 % по сравнению с одношаговыми методами.

Страницы: 118-125
DOI: 10.15372/AUT20200213