Например, Бобцов

ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

ÐÀÑ×ÅÒ, ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ È ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÎ ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÑÈÑÒÅÌ

ÓÄÊ 621.397.13

ÎÏÒÈÌÈÇÀÖÈß ÑÈÑÒÅÌÛ ÒÅËÅÂÈÇÈÎÍÍÎÉ ÂÈÇÓÀËÈÇÀÖÈÈ ËÞÌÈÍÅÑÖÈÐÓÞÙÈÕ ÎÁÚÅÊÒÎÂ ÌÅÒÎÄÎÌ ÊÎÌÏÜÞÒÅÐÍÎÃÎ ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈß

© 2008 ã.

Í. Ï. Êîðíûøåâ, êàíä. òåõí. íàóê; À. Â. Òèìîôååâ ÍÈÈ ïðîìûøëåííîãî òåëåâèäåíèÿ “Ðàñòð”, Âåëèêèé Íîâãîðîä E-mail: korn@mail.natm.ru

Ðàññìàòðèâàåòñÿ ìåòîä êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ñèñòåìû òåëåâèçèîííîé âèçóàëèçàöèè ëþìèíåñöèðóþùèõ îáúåêòîâ ñ öåëüþ îïòèìàëüíîãî âûáîðà åå êîìïîíåíòîâ, îáåñïå÷èâàþùèõ çàäàííûé êîíòðàñò ïîëó÷àåìûõ èçîáðàæåíèé ñ ôîíîì, è îïðåäåëåíèÿ ïîðîãîâûõ îãðàíè÷åíèé äëÿ ìîùíîñòè èñòî÷íèêà âîçáóæäåíèÿ ëþìèíåñöåíöèè è ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïðèåìíèêà ëþìèíåñöåíöèè.

Êîäû OCIS: 150.0150.

Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 23.04.2007.

Âèçóàëèçàöèÿ ëþìèíåñöåíöèè îáúåêòîâ ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç çàäà÷, ðåøàåìûõ ñ ïîìîùüþ òåëåâèçèîííûõ ñèñòåì. Ïðè ïðîåêòèðîâàíèè òàêèõ ñèñòåì íåîáõîäèìî îñóùåñòâëÿòü îïòèìàëüíûé âûáîð èñòî÷íèêà âîçáóæäåíèÿ ëþìèíåñöåíöèè (ÈÂË) è ïðèåìíèêà ëþìèíåñöåíöèè (ÏË), ñîãëàñóÿ èõ ïàðàìåòðû ñ ëþìèíåñöåíòíûìè ñâîéñòâàìè îáúåêòà, ñ öåëüþ ïîëó÷åíèÿ èçîáðàæåíèÿ ñ ìàêñèìàëüíî âîçìîæíûì êîíòðàñòîì îáúåêòà ïî îòíîøåíèþ ê ôîíó [1, 2].  íàñòîÿùåå âðåìÿ ìåòîäû ìîäåëèðîâàíèÿ è îïòèìèçàöèè òåëåâèçèîííûõ ñèñòåì ïîäîáíîãî ðîäà ðàçðàáîòàíû íåäîñòàòî÷íî.
Öåëüþ äàííîé ñòàòüè ÿâëÿåòñÿ ñîçäàíèå ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè òåëåâèçèîííîé ñèñòåìû äëÿ âèçóàëèçàöèè ëþìèíåñöèðóþùèõ îáúåêòîâ è ìåòîäà êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ, ïîçâîëÿþùåãî ðåøàòü íà åå îñíîâå èíæåíåðíûå çàäà÷è ïðîåêòèðîâàíèÿ.
Äëÿ ïðèíÿòèÿ ðåøåíèÿ â àëãîðèòìå íåîáõîäèì êðèòåðèé êà÷åñòâà ñèñòåìû.  äàííîì ñëó÷àå êðèòåðèåì ÿâëÿåòñÿ êîíòðàñòíîñòü ôîðìèðóåìîãî èçîáðàæåíèÿ ëþìèíåñöèðóþùåãî îáúåêòà ïî îòíîøåíèþ ê ôîíó. Äåéñòâèòåëüíî, ãëàç ðåàãèðóåò íà îòíîñèòåëüíûé êîíòðàñò â èçîáðàæåíèè, à ãèñòîãðàììà ðàñïðåäåëåíèÿ ÿðêîñòåé èçîáðàæåíèÿ èìååò äâà ÷åòêî âûðàæåííûõ ìàêñèìóìà, ñîîòâåòñòâóþùèõ ëþìèíåñöèðóþùåìó îáúåêòó è ôîíó.
Çàäà÷åé ìîäåëèðîâàíèÿ ÿâëÿåòñÿ êàê îöåíêà äîñòèãàåìîãî êîíòðàñòà èçîáðàæåíèé â ïðåäâàðèòåëüíî âûáðàííûõ âàðèàíòàõ ñèñòåìû äëÿ íàõîæäåíèÿ ëó÷øåãî èç íèõ.  ñâÿçè ñ ýòèì ðàññìîòðèì ìàòåìàòè÷åñêóþ ìîäåëü, ëåæàùóþ â îñíîâå ìåòîäà ìîäåëèðîâàíèÿ.

 ðåàëüíîé òåëåâèçèîííîé ñèñòåìå èç-çà âîçìîæ-

íîé ñîáñòâåííîé ëþìèíåñöåíöèè ôîíà è íåèäåàëü-

íîñòè ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê åå êîìïîíåíòîâ

èìåþòñÿ ñëåäóþùèå ôîíîâûå ñîñòàâëÿþùèå:

iôc = iô + i1+ i2, ãäå iô – ñèãíàë îò ëþìèíåñöèðóþùåãî ôîíà, i1 – ñèãíàë îò ïàðàçèòíîé çàñâåòêè ÏË â îáëàñòè ñïåêòðà ëþìèíåñöåíöèè, i2 – ñèãíàë îò ïàðàçèòíîé çàñâåòêè ÏË â îáëàñòè ñïåêòðà ïî-

ãëîùåíèÿ.

Äëÿ ôîòîòîêà ÏË i = i0 + iôc, ãäå i0 – ïîëåçíûé ñèãíàë îò îáúåêòà, ìîæíî èñïîëüçîâàòü âûðàæåíèå,

àíàëîãè÷íîå âûðàæåíèþ äëÿ îòíîñèòåëüíîãî îïòè-

÷åñêîãî

êîíòðàñòà

[3]

K

=

i0

− iôc i0

.

Õàðàêòåð ñèãíàëîâ îò ïàðàçèòíûõ çàñâåòîê èë-

ëþñòðèðóåòñÿ íà ðèñ. 1, ãäå èçîáðàæåíà ðåçóëüòè-

ðóþùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ÈÂË W(λ), îïðåäåëÿåìàÿ

èñòî÷íèêîì ñâåòà (ÈÑ) è ñâåòîôèëüòðîì Ñ1(λ) è ñîãëàñîâàííàÿ ñî ñïåêòðîì ïîãëîùåíèÿ, à òàêæå ðå-

çóëüòèðóþùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ÏË Å(λ), îïðåäåëÿå-

ìàÿ ôîòîïðèåìíèêîì (ÔÏ) è ñâåòîôèëüòðîì Ñ2(λ) è ñîãëàñîâàííàÿ ñî ñïåêòðîì ëþìèíåñöåíöèè èññëå-

äóåìîãî îáúåêòà. Ñòðóêòóðà ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäå-

ëè òåëåâèçèîííîé ñèñòåìû, âèçóàëèçèðóþùåé ëþ-

ìèíåñöåíöèþ îáúåêòîâ, èëëþñòðèðóåòñÿ ðèñ. 2.

Êîìïîíåíòû ôîòîòîêà îïðåäåëÿþòñÿ â îáùåì ñëó-

λ2
÷àå âûðàæåíèåì i = ∫ E(λ)J (λ)dλ [3], ãäå J(λ) = λ1
= ÀW(λ) – îáùàÿ èíòåíñèâíîñòü ñâå÷åíèÿ èññëåäóåìîãî ïîëÿ çðåíèÿ, À – êîýôôèöèåíò, õàðàêòåðèçóþùèé ëþìèíåñöåíòíûå ñâîéñòâà âåùåñòâà, [λ1, λ2] – ó÷àñòîê ñïåêòðàëüíîãî äèàïàçîíà.

“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008

19

W, E W

E

λï1 λï

λï2

λë1

λë λë2 λ

Ðèñ. 1. Ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ðåàëüíûõ ÈÂË (W(λ)) è ÏË (E(λ)). λï1, λï2 – ãðàíèöû äèàïàçîíà äëèí âîëí, ñîîòâåòñòâóþùèå ñïåêòðó ïîãëîùåíèÿ; λë1, λë2 – ãðàíèöû äèàïàçîíà äëèí âîëí, ñîîòâåòñòâóþùèå ñïåêòðó ëþìèíåñöåíöèè.

W(λ) ÈÂË ÈÑ Ñ1 P(λ) C1(λ)

Jô J0

E(λ)

ÏË Ñ2 ÔÏ

i

C2(λ)

G(λ)

Ðèñ. 2. Ñòðóêòóðà ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè. ÈÑ – èñòî÷íèê ñâåòà ñ ìîùíîñòüþ Ð(λ), ÔÏ – ôîòîïðèåìíèê ñî ñïåêòðàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ G(λ), Ñ1 è Ñ2 – ñâåòîôèëüòðû ñ êîýôôèöèåíòàìè ïðîïóñêàíèÿ Ñ1(λ) è Ñ2(λ), J0 è Jô – èíòåíñèâíîñòè ñâå÷åíèÿ îáúåêòà è ôîíà, i – âûõîäíîé ñèãíàë (ôîòîòîê).

Ïåðåõîäÿ ê ñðåäíèì çíà÷åíèÿì ìîùíîñòè ÈÂË è ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÏË â îáëàñòÿõ ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ è ëþìèíåñöåíöèè, ìîæíî ïîëó÷èòü âûðàæåíèå äëÿ îïðåäåëåíèÿ êîíòðàñòíîñòè èçîáðàæåíèÿ, â êîòîðîì îòðàæåíû âñå îñíîâíûå êîìïîíåíòû ñèñòåìû,

K

=1−

Pñðë Ñ1ë Pñðï Ñ1ï



Gñðï Ñ2ï Gñðë Ñ2ë



Aô A0

Sô S0

,

(1)

ãÈäÂåËPcñpëî,îPòcâpåï ò–ññòðâååäíííÿîÿâìîîáùëíàîññòòèü

èñòî÷íèêà ñâåòà â ñïåêòðà ëþìèíåñ-

öåíöèè è â îáëàñòè ñïåêòðà ïîãëîùåíèÿ; Gcpë, Gcpï – ñðåäíÿÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ôîòîïðèåìíèêà â ÏË ñî-

îòâåòñòâåííî â îáëàñòè ñïåêòðà ëþìèíåñöåíöèè è

â îáëàñòè ñïåêòðà ïîãëîùåíèÿ; A0, Aô – êîýôôèöèåíòû, õàðàêòåðèçóþùèå ëþìèíåñöåíòíûå

ñâîéñòâà îáúåêòà è ôîíà; S0, Sô – ïëîùàäü îáúåêòà
λë2 λï2
∫ ∫è ôîíà, à C1ë = C1(λ)dλ, C1ï = C1(λ)dλ, C2ë =

λë1 λï1

λë2 λï2
∫ ∫= C2 (λ)dλ, C2ï = C2 (λ)dλ [1, 2]. λë1 λï1
Âûðàæåíèå (1) ìîæåò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê öåëåâàÿ ôóíêöèÿ, êîòîðóþ ñëåäóåò ìàêñèìèçèðîâàòü

20

â óñëîâèÿõ äåéñòâóþùèõ îãðàíè÷åíèé. Òàêèì îáðàçîì, çàäà÷ó îïòèìèçàöèè ìîæíî ñâåñòè ê êëàññè÷åñêîé çàäà÷å ëèíåéíîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ î ïîèñêå îïòèìàëüíîãî ðåøåíèÿ â ñèñòåìå ñ îãðàíè÷åííûìè ðåñóðñàìè.
Îäíàêî äëÿ èíæåíåðíîé ïðàêòèêè áîëåå óäîáíî êîìïüþòåðíîå ìîäåëèðîâàíèå ïðåäâàðèòåëüíî âûáðàííûõ âàðèàíòîâ ñèñòåì ñ öåëüþ îöåíêè èõ êà÷åñòâà – êîíòðàñòíîñòè ïîëó÷àåìûõ èçîáðàæåíèé.
Ïðèíèìàÿ âî âíèìàíèå âûðàæåíèå äëÿ èíòå-

ãðàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ñèñòåìû G = i/Φ [3] êàê

ôîòîòîê íàñûùåíèÿ i, ðàññ÷èòàííûé íà îäèí ëþìåí ñâåòîâîãî ïîòîêà Ô, è âûäåëÿÿ â ñâåòîâîì ïîòîêå ñîñòàâëÿþùèå Ô = Ô0 + Ô1 + Ô2 + Ôô, ïðè÷åì Ô0 ~ À0Ðñð, Ô1 ~ À1Ðñð, Ô2 ~ À2Ðñð, Ôô ~ ÀôÐñð, ãäå Ðñð – ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü ÈÂË, À0 è Àô – êîýôôèöèåíòû, õàðàêòåðèçóþùèå ëþìèíåñöåíòíûå ñâîéñòâà îáúåêòà è ôîíà; À1 è À2 – êîýôôèöèåíòû, õàðàêòåðèçóþùèå ýíåðãåòè÷åñêèå ñâîéñòâà ïàðàçèòíûõ ñâåòîâûõ ïîòîêîâ è îïðåäåëÿåìûå êîýôôèöèåíòàìè ïðîïóñêàíèÿ Ñ1(λ) è Ñ2(λ), ìîæíî çàïèñàòü âûðàæåíèå, óäîáíîå äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïîðîãîâûõ îãðà-

íè÷åíèé

PñðG =

A0 +



i +

A1 +

. A2

Äåéñòâèòåëüíî, èç

âûðàæåíèÿ ñëåäóåò, ÷òî äëÿ îáúåêòà ñ çàäàííûìè

ëþìèíåñöåíòíûìè ñâîéñòâàìè À0 â ñèñòåìå ñóùåñòâóåò ìíîæåñòâî ïàð ÈÂË–ÏË äëÿ ïîëó÷åíèÿ îäè-

íàêîâîãî ôîòîòîêà (à çíà÷èò è êîíòðàñòà ïî îòíî-

øåíèþ ê ôîíó).

Ïðè ýòîì â èäåàëüíîé ñèñòåìå, äëÿ êîòîðîé

Aô = A1 = A2 = 0, ò. å. ïîðîãîâûå îãðàíè÷åíèÿ îòñóòñòâóþò, è äëÿ âèçóàëèçàöèè áîëåå ñëàáîé ëþìèíåñöåí-

öèè ïðè òîì æå ôîòîòîêå (ò. å. ïðè òîì æå êîíòðàñòå)

ìîæíî íåîãðàíè÷åííî óâåëè÷èâàòü êàê ìîùíîñòü

èñòî÷íèêà, òàê è ÷óâñòâèòåëüíîñòü ôîòîïðèåìíèêà.

 ðåàëüíîé ñèñòåìå, êàê âèäíî èç âûðàæåíèÿ, ñó-

ùïðåèñòïâóðååòâïûîøðîåãíîèâèîåêîîãòðîàðíîèã÷îåíóèâååëÏè=÷èAâôàò+üAA01ê+àêA2ìî