Машинное зрение

Интегральная фотография была предложена Липманом, много способов для увеличения глубины резко изображаемого пространства и поля зрения были исследованы. Метод с использованием микролинзовой решетки из неодинаковых линз был предложен Янгом для увеличения обоих параметров одновременно. Для демонстрации принципов работы, должна быть изготовлена линзовая решетка с варьируемым фокусным расстоянием. Существуют различные подходы для реализации линзовой решетки (рефрактивный, дифракционный или гибридный). При использовании рефрактивного подхода одиночная линза может быть изготовлена используя ультра-точные станки с ЧПУ, фоторезистивное прессование, горячее теснение или технику ионного обмена (для создания микролинзовых решеток для интегральной обработки изображений). Дифракционную одиночную линзу можно изготовить используя прямое лазерное излучение или запись электронным пучком, также хорошо как, технология с двоичными или серыми масками. Из-за комплексности процесса изготовления мультифокусной рефракционной и многоуровневой дифракционных линзовых решеток, мы решили сначала исследовать двоичную линзовую решетку Френеля. Целью было исследовать их характеристики в терминах разрешения, хроматических аберраций и контраста изображения и проверить могут ли быть использованы мультифокусные двоичные линзовые решетки Френеля в системах интегральной обработки изображений.

Защита интеллектуальной собственности и водяные знаки

Защита цифровых копий  мультимедийной информации – аудио  и видео – является предварительным  условием распространения содержимого  по сетям. Пока что цифровое аудио  и видео было защищено своими размерами. К примеру, аудио на компакт-диске  декодированное используя PCM на 1,4Мбит/сек – примерно половина Гб для 45 минут. Такие большие объемы данных тяжело распространять и хранить. Современные алгоритмы сжатия позволяют реконструировать с высокой точностью при уменьшении размеров. Если распространение этих алгоритмов контролируется, то исходник, несжатое содержимое все еще защищено своим размером. Однако, алгоритмы сжатия, в основном, общедоступны, т.е. содержимое становится очень уязвимым, что было засвидетельствовано распространением нелегальной MP3 музыки. В этом документе мы исследуем уязвимость и то, как технология маркирования может внести вклад в стратегию системы, которая защищает интеллектуальную собственность.

Освещение

• Улучшение контраста при использовании  органических фотодиодов

В заключении, мы представили  высоко контрастный OLED с более низкой отражательной способностью катода. Гибридный катод содержит полупрозрачные металлические слои, слои пассивации и тонкий слой поглощающий излучение. Отражательная способность OLED светодиода с гибридным катодом приблизительно на 9,7%, 8 раз меньше чем в OLED с обычными металлическими катодами такими как Mg:Ag. Рабочее напряжение и вольтамперные характеристики существенно не влияют в новом катоде. В добавок, гибридный катод для высококонтрастных OLED легко изготовить и его спектральная отражательная способность значительно зависит от длины волны света.

Электроника

• Основные  положения электричества

Когда Бенджамин Франклин сделал свое предположение о протекании тока (от гладкой эбонитовой палочки  или воска к грубой шерсти) он создал прецедент в электронике  существующий до сих пор, относительно того факта, что мы знаем что электроны  перемещаются от шерсти к палочке  – не наоборот, когда эти две  субстанции трутся одна об другую. Вот  почему говорится, что электроны  имеют негативный заряд: Франклин предположил, что электрон перемещался в обратном направлении, что он собственно и делал, и объекты названные «отрицательными» (представляют нехватку зарядов) в действительности имеют переизбыток электронов.

Ко времени, когда действительное направление протекания электронов было уже установлено, номенклатуры «позитивного» и «негативного»  были уже устоявшимися в научном  сообществе, т.о. даже не было попыток это изменить, однако, называть электрон «позитивным» будет иметь не более смысла, чем «нехватка заряда».

Термины «позитивный» и «негативный» - соглашение людей и они не имеют  абсолютного значения, а зависят  от наших соглашений в языке и  научных описаний. Франклин мог назвать  переизбыток заряда как «черное» и нехватку как «белое», в этом случае учены бы говорили, что электрон имеет «белый» заряд (делая тоже самое неправильное предположение о положении заряда между эбонитом и шерстью).

Однако, потому, что мы привыкли ассоциировать слово «позитивный» с «избытком», а «негативный» - с  «нехваткой», стандартные знаки  для заряда остались теми же. Именно поэтому многие инженеры решили сохранить старую модель электричества с «позитивным» относительно переизбытка заряда, и обычное направление протекания тока, соответственно. Это стало известно, как обычное направление протекания тока.

Другие решили изменить направление  протекания тока согласно реальному  движению электронов в цепи. Эта  форма символогии стала известна, как направление протекания тока электронов.

• Вольтамперная характеристика

Когда к фотодиоду приложено  напряжение в неосвещенном состоянии  будет получена вольтамперная характеристика сходная с кривой обычного резистивного диода, как показано на рисунке 2-2. Однако, когда свет падает на фотодиод кривая 1 сдвигается в 2, а далее 3 параллельно, согласно увеличению интенсивности падающего излучения. Для характеристик 2 и 3 выходы фотодиода замкнуты. Фототок пропорциональный освещенности будет протекать от анода к катоду. Если цепь разомкнута появится разность потенциалов с положительным зарядом на аноде.

Ток короткого замыкания  линейно зависит от потока падающего на площадку фотодиода. Нижняя граница диапазона линейности определяется мощностью эквивалентной шуму, тогда как верхняя зависит от сопротивления обратной связи и приложенного обратного напряжения.

Когда лазерное излучение  конденсируется в одной маленькой  точке, последовательное сопротивление  фотодиода увеличивается, а линейность нарушается. Voc изменяется логарифмически по отношению к заряду уровня освещенности и сильно зависит от колебаний температуры, делая его неудобным для измерения интенсивности излучения.

Операционные  усилители

Операционный усилитель  – самое полезное устройство в  аналоговой электронике. Он может производить  множество операций по обработке  аналоговых сигналов при использовании  минимума внешних компонентов. Большинство  операционных усилителей продаются  по цене ниже доллара.

Одно из преимуществ этих цепей – принцип обратной связи, в основном, отрицательной обратной связи, которая составляет основу почти  всех процессов автоматического  управления.

Несимметричный  и дифференциальный операционный усилитель

Для простого изображения  сложных схем, операционный усилитель  часто изображают треугольником, где  внутренние компоненты не изображены. Эта симвология очень удобна, когда конструкция усилителя не важна.

Символы +V и –V обозначают позитивный и негативный выводы питания, соответственно. Входные и выходной выводы показаны одной линией каждый, т.к. считают, что все напряжения отнесены к общему выводу называемому землей.

Задолго до наступления технологии цифровой электроники, компьютеры были построены для произведения электронных  вычислений с применением напряжений и токов для представления  числовых величин. Это было особенно полезно для симуляции физических процессов.

Обработка изображений

Измерение МПФ  и др.

Модуляционная передаточная функция (МПФ) ассоциируется с измерением передаточной способности оптической системы и относится к теории линейных систем. Как требование более  высокого качества, лучшее разрешение оптической системы (ОС) становится доминирующим фактором, разработчик и метролог начали исследовать МПФ, как обоюдный режим для характеристики ОС.

МПФ прямая численная характеристика качества изображения.

Для большинства ОС характерно определенное качество изображения. Фотообъективы, фотолитография, контактные линзы, видеосистемы, факсимильная и копировальная оптика, линзы для считывания информации с компакт-диска – типичные примеры  таких ОС.

Общепринятая мера качества – способность ОС передавать мелкие детали от объекта к изображению. Способность измеряется в терминах контраста (уровня серого) или модуляции, и это относится к ухудшению  изображения идеального источника  построенного линзой.

МПФ описывает структуру  изображения, как функцию пространственных частот, получаемую как Фурье-преобразование от функции рассеяния точки. Однако, МПФ позволяет получить амплитудно-частотную характеристику, сходную с АЧХ для звука. Различные частотные компоненты могут рассматриваться и оцениваться отдельно.

Часто система строящая изображение  создана для проецирования или  захвата мелких компонентов объекта  или изображения. Области применения в которых очень важно качество изображения или разрешающая способность могут использовать МПФ как меру передачи мелких деталей, таких как ширина линии или разрешение пикселя, или расстояние между колбочками на сетчатке.

К примеру видеосистема должна быть разработана таким образом, чтобы размер и положение изображения должны быть согласованными с плоскостью ПЗС. Ширина пикселя матрицы 6 мкм – соответствует частоте отсечки 83 лин/мм. В большинстве случаев, попытки преодолеть этот барьер безуспешны; т.о. разработка линзы с более высоким пространственным разрешением ненужна.

Введение в  вейвлеты

Фундаментальная идея вейвлетов – анализ согласно масштабу. Некоторые исследователи использующие вейвлеты считают, что это новый тип мышления, будущее обработки данных.

Вейвлеты – функции, которые удовлетворяют нескольким математическим условиям и используются в представлении данных или других функций. Их идея не нова. Аппроксимация при использовании суперпозиции функций существует с 1800 года, когда Джозеф Фурье открыл, что он может при помощи синусов и косинусов представить другие функции. Однако, в вейвлет-анализе масштаб используемый при представлении данных играет особую роль. Вейвлет-алгоритм обрабатывает данные при разных масштабах или разрешениях. Если мы посмотрим на сигнал через «маленькое окно», мы отметим мелкие детали. Если мы посмотрим на сигнал через «большое окно», мы отметим крупные детали. Особенность вейвлет-анализа состоит в том, что мы видим, и лес, и деревья, так сказать.

Это делает вейвлеты интересными и полезными. Многие десятилетия ученые хотели использовать другие базовые функции, чем синусы и косинусы для Фурье-анализа, для аппроксимации волнистых сигналов. По их определению, эти функции не локальные (и растягиваются до бесконечности). Они делали «дурную работу» аппроксимируя резкие всплески. Но при помощи вейвлет-анализа, мы можем использовать аппроксимирующие функции имеющие границы существования. Вейвлеты хорошо подходят для аппроксимации данных с резкими сосредоточенными неоднородностями.

Процедура вейвлет-анализа  состоит в адаптировании вейвлет-прототипа, называемого анализирующим вейвлетом или вейвлет-предок. Временной анализ проводится с сжатым, содержащим высокие частоты вейвлетом-прототипом, а частотный анализ – проводится с расширенным, низкочастотным тем же самым вейвлет-прототипом. Потому что исходный сигнал может быть представлен в терминах вейвлетов (используя коэффициенты в линейной комбинации вейвлет-функций), операции с данными могут быть выполнены используя только соответствующие вейвлет-коэффициенты. И если вы выберете лучший вейвлет адаптированный к вашим данным или отсечете коэффициенты ниже порога, ваши данные будут представлены выборкой. Это кодирование делает вейвлеты превосходным инструментом в области сжатия данных.

Реконструкция изображений

Наиболее привлекательное  свойство вейвлет-преобразований состоит  в том, что они подходят для  анализа при различных разрешениях  и это может предотвратить  блокирующий эффект. Основная идея мультиразрешения – разделить исходное изображение на несколько подызображений с коэффициентом 8, и затем, анализировать их отдельно. Этот процесс сходен с распознаванием образов.

Гроссман, Морлет и Мейер разработали математическую вейвлет-теорию. Эта теория была соединена с квадратурным зеркальным фильтром для поддиапазонного кодирования Давбеши и Вайдханатана. Давбеши представила ортогональные вейвлеты основанные на итерациях дискретных фильтров. Вайдханатан представил хорошо организованные результаты КЗС теории. Бурт и Адельсон предложили пирамиду Лапласиана для использования в качестве кодирующей схемы, как древовидное представление ортогонального изображения.

Для конструирования эффективной  кодирующий системы на основе вейвлет-теории нужно выполнить 2 основных шага. Первый – выбор оптимального вейвлет-базиса для входного сигнала, и второй – разработка алгоритма кодирования для вейвлет-теории. Рамшандран и Ветерли использовали вейвлеты для достижения самого эффективного базиса основанного на дисторсии заданного изображения. Тевфик предложил метод для поиска оптимального вейвлета для входного сигнала используя вейвлет Помена имеющий некоторые степени свободы. Антонини разработал биортогональный сплайновый вейвлет-фильтр работающий очень хорошо и быстро.

Камеры

Модель ПЗС  камеры и ее применение

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) часто используются в качестве приемников в оптико-цифровой обработке  изображений и оптических измерениях. Если эти устройства подключены к  стандартной плате ввода изображения (захватчик кадров) и используются для точного пространственно-энергетического  описания светового сигнала, то доскональное понимание режима работы системы  необходимо, т.к. в этом случае система  не является пространственно инвариантной.

Модуляционная передаточная функция (МПФ) и функция передачи контраста (ФПК) являются общепринятыми  для анализа импульсного отклика  оптических приборов в области пространственных частот. Эти методы были дополнены  для применения к дискретным приемным системам таким, как ПЗС-камеры. МПФ  используются для характеристики физических лимитов разрешения оптической системы, однако, она не подходит для точного  восстановления входного аналогового  изображения захваченного ПЗС камерой, особенно в случае изображений содержащих высокие пространственные частоты, т.е. близкие к половине частоты  выборки.