光柵圖像函數(shù)及其參數(shù)特性分析

姚大杰

池州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，安徽池州，247000

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光柵圖像函數(shù)及其參數(shù)特性分析

姚大杰

池州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，安徽池州，247000

摘要：采用數(shù)學(xué)推導(dǎo)、分析的方式，研究了MTF測(cè)量系統(tǒng)中光柵圖像的產(chǎn)生函數(shù)正弦函數(shù)和余弦函數(shù)。結(jié)果表明：正弦或余弦光柵圖像經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)所成的像與物像存在一定的聯(lián)系——正弦函數(shù)或余弦函數(shù)的光柵圖像經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后所成的像仍然呈現(xiàn)正弦或余弦特性，并且可通過(guò)設(shè)置光柵的產(chǎn)生函數(shù)正余弦函數(shù)及其中的參數(shù)值，改變物像的對(duì)比度，使得測(cè)量系統(tǒng)的MTF值發(fā)生變化，從而達(dá)到改變MTF測(cè)量系統(tǒng)的目的，提出了光柵物像實(shí)際對(duì)比度為1的可能性。

關(guān)鍵詞：對(duì)比度；正余弦光柵圖像；MTF值

由于組成物體各不同頻段的頻率可以體現(xiàn)物體的整體特征，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)物體的細(xì)節(jié)部分、層次情況、輪廓部分分別可以在組成物體的高頻、中頻以及低頻頻段得以體現(xiàn)[1-2]。而調(diào)制傳遞函數(shù)即MTF可以表示不同頻率正余弦強(qiáng)度函數(shù)的像經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像后振幅(對(duì)比度)發(fā)生變化的程度[3-4]，因此根據(jù)調(diào)制傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)的相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)能夠反映正余弦函數(shù)光柵圖像的成像質(zhì)量。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外基于MTF的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量評(píng)價(jià)越來(lái)越多，其評(píng)價(jià)方法也日趨成熟。本文針對(duì)MTF測(cè)量系統(tǒng)中光柵物像的產(chǎn)生函數(shù)進(jìn)行研究，具體分析光柵圖像函數(shù)及其參數(shù)的相關(guān)特性。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)得Filterbank快速算法硬件加速器所耗用的時(shí)間，同時(shí)，也用軟件對(duì)未改進(jìn)的Filterbank算法作了測(cè)量，結(jié)果如表1所示。

表1　Filterbank快速算法兩種方法耗時(shí)對(duì)比

從表1可以看出，用軟件實(shí)現(xiàn)需要526.58 μs，而用硬件實(shí)現(xiàn)只需要125.05 μs，即硬件速度比軟件速度大約提高了4.21倍。因此，用硬件加速的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)具有更好的運(yùn)算性能。

4結(jié) 論

本文因Filterbank算法計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)，本文對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，采用快速算法，并用硬件加以實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)軟件相比，耗時(shí)縮小了4倍多，這給以后實(shí)時(shí)性要求較高的音頻解碼系統(tǒng)研究提供了一個(gè)參考方向。本文不足之處在于模塊與模塊之間時(shí)鐘數(shù)不能精確的控制，這個(gè)問(wèn)題有待進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]潘新祥．軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)與分析[J]．指揮控制與仿真，2013，30(3)：117-119

[2]李蘭英．Nios II嵌入式軟核SOPC設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出社，2006：10-18

[3]Lee S W.Improved algorithm for efficient computation of the forward and backward MDCT in MPEG audio coder[J].IEEE Transactions om circuits andsystems Ⅱ-analog and digital signal processing,2001,48(10):990-994

[4]Britanak V,Rao Kr.A new fast algorithm for the unified forward and inverse MDCT in MPEG audio coding[J].IEEE Transactions on Signal Proeessing,2006,86(7):1055-1060

[5]Lau W,Chwu A.A common transform engine for MPEG&AC-3 audio decoder[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,1997,43(3):559-566

[6]吳厚航．愛(ài)上FPGA開(kāi)發(fā):特權(quán)和你一起學(xué)Nios Ⅱ[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：121-133

[7]歐陽(yáng)路河．基于Nios Ⅱ的MP3解碼研究與實(shí)現(xiàn)[D]．西安：西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，2011：41-53

(責(zé)任編輯：汪材印)

1光柵生成函數(shù)

在一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)中，若輸入函數(shù)為η(x,y)，輸出函數(shù)符合(1)式：

ζ{η(x,y)}=tη{x,y}

(1)

其中t為復(fù)常數(shù)，此時(shí)稱η(x,y)為該實(shí)際系統(tǒng)的本征函數(shù)，即系統(tǒng)的輸入函數(shù)是本征函數(shù)，則相應(yīng)的輸出為復(fù)常數(shù)與輸入函數(shù)的乘積。由(1)式可以得出，對(duì)于一個(gè)不改變形狀的線性平移不變系統(tǒng)(linearshiftinvariantsystem)的本征函數(shù)通過(guò)系統(tǒng)后，其本征函數(shù)對(duì)應(yīng)的大小和位置可能會(huì)發(fā)生變化。而復(fù)指數(shù)函數(shù)可以是任一線性平移不變系統(tǒng)的本征函數(shù)，原因是：

y-η)dξdη=H(fa,fb)ej2π(fax+fby)

(2)

若已知上式(2)中的fa和fb，則H(fa,fb)為復(fù)常數(shù)。

對(duì)于一個(gè)非相干的光學(xué)成像系統(tǒng)，可認(rèn)為是光強(qiáng)的線性平移不變系統(tǒng)，光強(qiáng)及其對(duì)應(yīng)的脈沖響應(yīng)是非負(fù)實(shí)數(shù)和實(shí)函數(shù)。對(duì)于這類系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它們的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)是其本征函數(shù)。

若以呈條紋狀的光柵圖像作為目標(biāo)物，將通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)所成像的對(duì)比度與該目標(biāo)物的對(duì)比度進(jìn)行對(duì)比，則得到某一固定頻率下的MTF值或CTF值[5-6](對(duì)比度傳遞函數(shù))，且MTF與CTF關(guān)系滿足(3)式：

(3)

實(shí)際測(cè)量時(shí)難以作到對(duì)各頻率處的CTF值都進(jìn)行測(cè)量，由于實(shí)際成像系統(tǒng)存在一個(gè)截止頻率fcut_off，且超過(guò)截止頻率三分之一的系統(tǒng)CTF均為零，故(3)式可簡(jiǎn)化為(4)式：

(4)

式中f為某一頻率。若某一物面圖像的分布函數(shù)如式(5)所示：

f(x)=m+ncos2πfx

(5)

由(5)式可得到與之相對(duì)應(yīng)的對(duì)比度,即式(6):

(6)

假設(shè)某一光學(xué)系統(tǒng)的擴(kuò)散函數(shù)為H(x)，那么在像面上的分布如式(7)所示：

(7)

(8)

由(8)式可以得出，呈余弦函數(shù)分布的物像經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)所成的像仍然呈余弦分布，只是振幅和相位發(fā)生改變而已。由于正弦函數(shù)與余弦函數(shù)只是相位上存在差別，故正弦函數(shù)同樣滿足這一特性。因此，利用調(diào)制傳遞函數(shù)的生成曲線可實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)[7-8]。

2光柵函數(shù)的參數(shù)分析

基于正余弦函數(shù)分布的光柵經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的特性，MTF測(cè)量系統(tǒng)中可以選取正余弦函數(shù)作為光柵的生成函數(shù)，如式(9)所示：

f(x)=255(1+f(2π·x/p))/2

(9)

圖1　p為6，π為3.14時(shí)的函數(shù)圖像

其中，x表示對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的坐標(biāo)值，p為所成的像的周期像素值，f可以是正弦或余弦，f(x)表示最終的函數(shù)值。光柵輸出頻率的變化可通過(guò)p的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。由對(duì)比度計(jì)算式(6)可知，(9)式所對(duì)應(yīng)的對(duì)比度理論值為1，對(duì)應(yīng)的條件是正弦或余弦函數(shù)必須取最小值-1。但實(shí)際上正余弦函數(shù)的取值會(huì)受到參數(shù)i和p的影響。具體分析如下：

圖2　p為6，π為3.1416時(shí)的函數(shù)圖像

除此之外，f取正弦時(shí)函數(shù)圖像的下包絡(luò)線的變化趨勢(shì)還受π精度的影響，圖2給出了π取3.1416時(shí)的函數(shù)圖像，下包絡(luò)線變化趨勢(shì)較圖1中要緩慢。(2)若f取正弦cos時(shí)，余弦函數(shù)值為-1的前提條件必須2π·i/p是π的奇數(shù)倍，則對(duì)應(yīng)的2i/p是奇數(shù)。此時(shí)若p取某一固定值，對(duì)應(yīng)的(9)式最小值會(huì)隨i值而定。圖3給出了p取6的函數(shù)圖像。

圖3　p為6時(shí)的函數(shù)圖像

3結(jié)論

綜上所述，(9)式對(duì)應(yīng)的光柵對(duì)比度受兩方面的影響：一方面是光柵產(chǎn)生的函數(shù)形式，正弦和余弦函數(shù)分別可以在不同的位置獲取最小值；另一方面是受函數(shù)中的參數(shù)影響，不同的參數(shù)選取同樣會(huì)使得最小值的獲取位置不同，選取合適的參數(shù)能夠得到(9)式實(shí)際的對(duì)比度為1。

[1]郁道銀，談恒英．工程光學(xué)基礎(chǔ)教程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：198-199

[2]胡玉喜，安連生．應(yīng)用光學(xué)[M]．合肥：中國(guó)科技大學(xué)出版社，2003：173-174

[3]李亞鵬，何斌．采用MTF定量評(píng)估CCD錯(cuò)位成像的成像質(zhì)量[J]．紅外與激光工程，2013，42(2)：443-448

[4]樊超，易紅偉，李英才．航天相機(jī)MTF測(cè)試靶標(biāo)研究[J]．電光與控制，2007(4)：174-176

[5]徐善財(cái)．測(cè)量鏡頭MTF的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件開(kāi)發(fā)[D]．杭州：浙江大學(xué)信息學(xué)院，2007:1-26

[6]劉明華，何平安，余模智，等．一種以CCD為接收器的新型OTF測(cè)試系統(tǒng)[J]．儀器儀表學(xué)報(bào)，1997，18(6)：69-72

[7]張旭升，沙定國(guó)，林家明，等．應(yīng)用CCD和液晶圖形發(fā)生器的光學(xué)多參數(shù)綜合測(cè)試技術(shù)研究[J]．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23(4)：464-468

[8]何胖泮．基于LCD目標(biāo)板的MTF測(cè)量方法研究[D]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，2010:2-33

(責(zé)任編輯：汪材印)

中圖分類號(hào)：TH741

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-2006(2016)01-0108-03

作者簡(jiǎn)介：姚大杰(1986-)，安徽樅陽(yáng)人，碩士，助教，主要研究方向：電氣控制及自動(dòng)化。

基金項(xiàng)目：池州學(xué)院院級(jí)科學(xué)研究項(xiàng)目“基于模糊預(yù)測(cè)算法的緩解城市交通壓力方法的研究”(2014ZR003)。

收稿日期：2015-11-18

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2016.01.030