Компьютерное моделирование и оценка качества изображения. Рабочая программа дисциплины

Компьютерное моделирование и оценка качества изображения Рабочая программа дисциплины по направлениям подготовки: 551900 «Оптотехника (бакалавр, магистр)» факультеты: Оптико-информационных систем и технологий

1. Цели и задачи дисциплины Дисциплина "Компьютерное моделирование и оценка качества изображения" относится к основным дисциплинам содержания образовательных программ по магистерской программе "Компьютерная оптика" и имеет своей целью изучение физических основ формирования оптического изображения и оценки его качества. Дисциплина базируется на знаниях теоретических основ современной оптики, приобретенных при изучении дисциплин "Физика" и "Основы оптики", основ проектирования оптических систем, полученных при изучении дисциплины "Прикладная оптика", а также основ разработки прикладного программного обеспечения, полученных при изучении дисциплин "Прикладное программирование", "Компьютерные методы моделирования ОП", "Компьютерная визуализация". Задачами дисциплины являются:

• • • • • •

изучение физических основ формирования изображения в оптических системах с учетом различных факторов (условия освещения, неравномерность пропускания, экранирование, аберрации и др.); изучение математических и компьютерных моделей формирования оптического изображения; изучение математической модели аберраций оптической системы (функции волновой аберрации и её аппроксимаций); изучение основных передаточных характеристик оптических систем и оценка влияния на них различных факторов (расфокусировка, смаз, вибрации и т.п.); освоение основных методик оценки качества изображения с использованием ФРТ, ФРЛ, ФКЭ, МПФ и критериев качества изображения; получение студентами практических навыков по компьютерному моделированию и оценке качества изображения.

2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины Студент считается освоившим содержание дисциплины, если он:

• • • •

знаком c основами формирования изображения в оптических системах; знает основные передаточные характеристики и методики оценки качества оптических систем; имеет практические навыки по оценке качества оптических систем с использованием универсальных и специализированных компьютерных программ; имеет навыки реализации математических моделей формирования изображения в виде программных модулей.

3. Объем дисциплины и виды учебной работы Вид учебной работы

Всего часов

Общая трудоемкость дисциплины Аудиторные занятия Лекции Лабораторные работы (ЛР) Самостоятельная работа Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

Семестры

102 51 17 34 51

9 102 51 17 34 51

экзамен

экзамен

4. Содержание дисциплины 4.1. Разделы дисциплин и виды занятий №

Раздел дисциплины

Лекции

ЛР

СРС

п/п 1. Введение теорию формирования изображений Основы теории формирования изображения 2. идеальной оптической системой 3. Оценка качества оптической системы Влияние аберраций на качество оптической 4. системы Формирование оптического изображения с учетом 5. влияния различных факторов

1 4

4

4

10

4

10

4

10

4.2. Содержание разделов дисциплины 1. Введение в теорию формирования изображений Основные определения и свойства. Математическое описание предметов и изображений. Использование системы канонических координат. Условия линейности и изопланатичности: их смысл и значение в теории формирования оптического изображения. 2. Основы теории формирования изображения идеальной оптической системой Дифракционная теория формирования оптического изображения. Основные понятия теории формирования изображений: зрачковая функция, функция рассеяния точки (ФРТ), оптическая передаточная функция (ОПФ). Некогерентная модель формирования изображения. Когерентная модель формирования изображения. Формирование изображения в частично-когерентном свете. Моделирование формирования полихроматического изображения. Формирование изображений амплитудных и фазовых объектов. 3. Оценка качества оптической системы Передача оптическими системами масштаба, энергии и структуры. Связь предмета и изображения через ФРТ. Число Штреля. Понятие функции рассеяния линии (ФРЛ) и пограничной кривой. Функция концентрации энергии (ФКЭ). Частотное представление структуры предмета. Связь предмета и изображения через ОПФ. Соотношение фильтрования. Критерий Фуко. 4. Влияние аберраций на качество оптической системы Аберрации оптических систем (поперечные и волновые). Визуализация аберраций. Анализ качества оптической системы по графикам аберраций и точечным диаграммам. Математическая модель аберраций. Аппроксимация аберраций полиномами Цернике. Допуска на величину аберраций в оптических системах различного назначения. Критерий Марешаля. 5. Формирование оптического изображения с учетом влияния различных факторов Формирование изображения оптическими системами с экранированием и оптическими системами с синтезированной апертурой. Влияние аподизации на формирование изображения. Оптический прибор - как цепочка линейных фильтров. Понятия эквивалентной ФРТ и ОПФ. Искажение изображений (смаз, вибрации, турбулентная атмосфера). Передача оптическим прибором сигналов малой протяженности. Анализ и оценка качества изображения типовых тест-объектов (полуплоскость, шпальные миры, решётки, радиальная мира). Качество изображения зарегистрированного различными приёмниками (фотографическими, матричными электронными и др.)

5. Лабораторный практикум, практические занятия и курсовые проекты 5.1. Лабораторный практикум № п/п

№ раздела дисциплины

1.

2

2. 3.

3 3

4.

4

5.

5

Наименование лабораторных работ Оценка предельных характеристик качества изображения идеальной оптической системы Исследование влияния различных факторов на ФРТ и ФКЭ Исследование влияния различных факторов на ОПФ Исследование влияния различных видов аберраций на характеристики качества оптических систем Разработка программных модулей для моделирования формирования изображения с учетом различных факторов

6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 6.1. Рекомендуемая литература а) основная литература

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Борн М., Вольф Э. Основы оптики. -М. Наука, 1970. -856 с. Вычислительная оптика. Справочник. Под общей редакцией М. М. Русинова. -Л. Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. -423 с. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. -М. Мир, 1970. -364 с. Кононов В. И., Федоровский А. Д., Дубинский Г. П.Оптические системы построения изображений. -К.: Техника, 1981. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения. -М: Мир, 1970. Проектирование оптических систем. Под редакцией Р. Шеннона, Дж. Вайанта. -М. Мир, 1983. с. 178332. Родионов С. А. Автоматизация проектирования оптических систем. -Л. Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. -270 с. Стюард И. Г. Введение в Фурье-оптику. -М. Мир, 1988. -182 с.

б) дополнительная литература 1. 2. 3.

Гудмен Дж. Статистическая оптика. -М. Мир, 1988. с. 267-306. Компьютеры в оптических исследованиях. Под ред. Б. Фридена. -М. Мир, 1983. -448 с. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике. -М. Мир, 1971. -496 с.

6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины компилятор языка C++; система автоматизированного проектирования оптических систем OPAL; программа для анализа качества оптических систем Imager; интегрированная среда разработки приложений.

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины Компьютерный класс

Программу составили: к.т.н., доц. Домненко В.М., кафедра Прикладной и компьютерной оптики магистр, ассистент Бурсов М.В., кафедра Прикладной и компьютерной оптики