Информационное обеспечение компьютерного моделирования фотоприемных устройств Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 621.384+681.78.01

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

Евгений Владимирович Грицкевич

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: gricew@mail.ru

Ольга Викторовна Карпикова

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистр кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: oljakarpikva@rambler.ru

Виктория Александровна Погудина

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистр кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: viktoria.pog@yandex.ru

Рассматривается информационное обеспечение разработанной имитационной компьютерной модели оптико-электронной системы визуализации, имеющей в своем составе матричный фотоприемник.

Ключевые слова: система визуализации, объектно-фоновая ситуация, оптико-электронный тракт, имитационная модель, спектральные характеристики.

INFORMATION SUPPORT OF PHOTODETECTORS COMPUTER SIMULATION

Evgenij V. Grickevich

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associate Professor, Associate Professor of Nanosystems and optical devices department, tel. (383)344-29-29, e-mail: gricew@mail.ru

Olja V. Karpikova

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of nanosystems and optical engineering, tel. (383)344-29-29, e-mail: oljakarpikva@rambler.ru

Viktoria A. Pogudina

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of nanosystems and optical engineering, tel. (383)344-29-29, e-mail: viktoria.pog@yandex.ru

Considered the information support of developed computer simulation model of electro-optical imaging system being composed of a matrix photodetector.

Key words: imaging system, the object-background situation, optoelectronic channel, simulation model, spectral characteristics.

В работе [1] была рассмотрена имитационная компьютерная модель для проведения виртуальных испытаний оптико-электронных систем визуализации, имеющих в своем составе матричные фотоприемники. При разработке модели большое внимание уделялась созданию информационной базы, предназначенной для обеспечения процесса моделирования.

Под информационной базой понимается совокупность параметров и характеристик типовых звеньев приборов, требующихся при проведении энергетических расчетов. Это, прежде всего, относится к спектральным характеристикам естественной освещенности, атмосферного канала, объектов и фонов, фотоприемников. Все эти характеристики представлены в виде специализированных программных модулей, содержащих таблицы относительных значений по длине волны. Обращение к этим модулям происходит автоматически по запросам основных моделирующих программ. Информационные модули могут использоваться автономно в качестве автоматизированного справочника, обеспечивающего предоставление характеристик в виде числовых данных и графиков по запросам пользователя.

В настоящее время разработаны информационные модули, обеспечивающие моделирование оптико-электронных систем в видимом и ближнем инфракрасном (ИК) спектральном диапазоне от 0,31 до 1,3 мкм. Проводится работа по расширению ИК - диапазона до значения 1,8 мкм, поскольку этот спектральный участок представляется весьма перспективным с точки зрения повышения информационной эффективности ПНВ [2].

Кроме того, в информационную базу данных включены типовые эталонные изображения различных объектов, с помощью которых возможно анализировать работу системы визуализации с точки зрения качества выходной картины, создаваемой на экране видеоконтрольного устройства. У исследователя появляется возможность визуализировать на экране компьютерного монитора виртуальые выходные изображения, которые будет создавать реальный прибор на заданной дистанции наблюдения. Для этого применяется методика, включающая в себя следующие этапы.

1. Из архива типовых объектов наблюдения выбирается требуемый (в соответствии с целевым назначением прибора).

2. С помощью модели определяются геометрические, модуляционные (контрастные) и шумовые параметры, характеризующие оптические сигналы от объекта и фона на входе системы визуализации для заданной дистанции наблюдения.

3. Путем прямого преобразования Фурье с использованием интегральной функции передачи модуляции системы визуализации рассчитывается пространственно-частотный спектр выходного сигнала.

4. С помощью обратного преобразования Фурье на экране компьютерного монитора генерируется выходное изображение системы визуализации, к которому добавляются шумы. Учитывая, что размеры экранов реальных приборов наблюдения, как правило, меньше размеров экранов компьютерных мониторов, выходное изображение выводится в масштабе, соотвествующем

задаваемому размеру экрана видеоконтрольного устройства системы визуализации.

Воспроизведение виртуального выходного изображения системы визуализации позволяет субъективно оценить качество этого изображения. Кроме того, появляется возможность анализировать эффективность применения методов цифровой обработки изображений, выполняемых специализированным процессором, интегрированным в оптико-электронный тракт.

Ниже приведена последовательность экранных копий, поясняющих вышесказанное. На рис. 1 показан вид идеального изображения для типового объекта (рис. 1, а) и соответствующей ему эквивалентной миры Джонсона (рис. 1, б).

а) б)

Рис. 1. Идеальный входной сигнал: а) типовой объект; б) эквивалентная мира

Рис. 2 демонстрирует получаемые виртуальные выходные изображения без обработки.

а) б)

Рис. 2. Выходное изображение без обработки: а) типовой объект; б) эквивалентная мира

В последнем случае размеры объекта, его контраст по отношению к фону и уровень шумов соответствуют тем, которые были рассчитаны для выходного изображения с помощью процедуры сквозного анализа на заданной дистанции наблюдения. Необходимо заметить, что в приведенном примере не учитывался эффект размытия контуров (при построении данного иллюстрирующего изображения не использовался аппарат Фурье-анализа).

На рис. 3 показан вид выходного изображения после цифровой обработки. Эта обработка включала в себя: низкочастотную фильтрацию, оконтуривание, усиление контраста и увеличение масштаба.

а) б)

Рис. 3. Выходное изображение после обработки: а) типовой объект; б) эквивалентная мира

Виртуальное представление выходных изображений является эффективным инструментом при анализе многоканальных оптико-электронных систем, поскольку позволяет одновременно наблюдать действие каждого канала по отношению к типовому входному сигналу, а также моделировать процесс совмещения разномасштабных изображений, если это предусмотрено в приборе.

Весьма часто при работе реальных наблюдательных приборов параллельно с процессом наблюдения определяется пространственное положение объекта относительно наблюдателя (производится измерение пространственных координат). Канал визуализации совмещается с измерительным каналом, к которому предъявляются специфические требования. Имитационное компьютерное моделирование позволяет анализировать процесс измерения координат и решать задачи оптимального согласования параметров звеньев оптико-электронного тракта по критерию минимизации погрешности измерения [3]. Очевидно, что объединение в одной имитационной модели двух разнородных процессов, - наблюдения и измерения, - существенно расширит возможности предлагаемых методов виртуализации испытаний оптико-электронных систем различного назначения, что в итоге приведет к повышению качества проекти-

руемых приборов, сокращению сроков их разработки, уменьшению затрат на этапе функционального проектирования.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Грицкевич Е. В., Беляева А.Г. Виртуальные испытания оптико-электронных систем ночного видения // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 5. - С. 23-27.

2. Кощавцев Н. Ф., Кощавцев А. Н., Федотова С. Ф. Анализ перспектив развития приборов ночного видения // Прикладная физика. - 1999. - № 3. - С. 66-69.

3. Грицкевич Е. В. Минимизация погрешности измерений оптико-электронного координатного датчика // Датчики и системы. - 2012. - № 4. - С. 18-20.

© Е. В. Грицкевич, О. В. Карпикова, В. А. Погудина, 2016