Приложение С (обязательное). Обнаружение края и построение краевой таблицы

Приложение С
(обязательное)

Обнаружение края и построение краевой таблицы

С.1 Вводные замечания

Определение границы изображения (контура) (обнаружение края) тела является основополагающим преобразованием данных, полученных при использовании метода преломления в ближнем поле RNF или метода распределения света в ближнем поле ТNF для последующего определения геометрических характеристик тела. Дальнейшие преобразования этих границ позволяют определить геометрические характеристики, такие как диаметр и центр, как простую разницу и усредненное значение двух диаметрально противоположных краев соответственно, а также строить аппроксимирующие эллипсы для наборов координат краев, как указано в приложении D. ОВ классов А, В и С имеют два тела: сердцевину и оболочку. Методика обнаружения края, приведенная в данном приложении, предполагает, что эти тела являются приблизительно круглыми и почти концентрическими.

Для определения границы сердцевины применяют методику порога квантования (приведенную в разделе С.2) для всех категорий ОВ. Значение порога квантования при определении границы сердцевины указывают для всех многомодовых ОВ класса А, но не для одномодовых ОВ классов В и С. (Рекомендуемое значение для ОВ классов В и С приведено ниже.) Для определения границы оболочки также может быть применена методика порога квантования, в т. ч. и другие методики, в которых предусмотрены различные пространственные фильтры, поэтому эти методики могут быть использованы в одном или двух измерениях (эти методики не приведены в настоящем стандарте). Необходимо отметить, что для методики анализа видеоизображения в градациях серого цвета при преломлении в ближнем поле, как указано в приложении В, требуется, чтобы методика определения края, применяемая для установления границы оболочки, была аналогична методике, используемой для калибровки диаметра оболочки относительно известного диаметра эталона.

С.2 Определение границы по порогу квантования

С.2.1 Общий подход

При использовании методики определения границы по порогу квантования границу устанавливают путем нахождения двух соседних точек в массиве данных, которые находятся по разные стороны от порогового уровня интенсивности Т. Т определяют по интенсивности базового уровня I _Base, пиковой интенсивности I _max и дробному параметру, пороговому коэффициенту K. Затем границу определяют как интерполяцию двух точек x _L и x _R, которые находятся по обе стороны от Т:

.

(С.1)

На рисунке С.1 представлено одномерное изображение интенсивности в ближнем поле. В этом примере оболочка отбрасывает тень на яркий фон, а сердцевина не освещается. Красная линия показывает базовый уровень интенсивности, синяя линия - пиковый эталонный уровень, и зеленая линия - порог квантования (в примере используется K, равный 0,5 или 50 %). Кривая, состоящая из точек интенсивности освещения оболочки, пересекает пороговый уровень в левой и правой частях оси х. Диаметр ОВ равен разнице между координатами этих двух пересечений.

.

(С.2)

С.2.2 Эталонный уровень и коэффициент k для сердцевины многомодового ОВ класса А

Эталонные (базовые) уровни указаны в С.2.1. Установление оценочных значений эталонных уровней может иметь решающее значение для достоверного определения границ тела, так как эталонные уровни используют для определения порога квантования. Границы оболочки имеют крутые краевые переходы, поэтому небольшие различия в пороге квантования не окажут значительного влияния на местоположение обнаруженного края. Однако, как показано на рисунке С.2, диаметр сердцевины многомодового ОВ часто определяют, применяя коэффициенты квантования, которые располагаются вблизи границы сердцевины, где переход является пологим. Так как эти краевые переходы не являются резкими, то незначительные изменения эталонных уровней могут повлиять на местоположение края и, как следствие, на окончательные расчеты диаметра сердцевины.

Рисунок С.1 - Типовой одномерный набор данных для оболочки

Примечание - Правая часть рисунка растянута по оси Y в 10 раз.

Рисунок С.2 - Типовой профиль сердцевины градиентного ОВ

Верхний эталонный уровень сердцевины градиентных ОВ выбирают как наибольшее значение интенсивности в области сердцевины или приемлемое среднее значение данных вокруг пика. Для определения значений диаметра сердцевины многомодовых ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления используют верхний эталонный уровень, который определяют аналогично базовому уровню, так как форма сигнала внутри сердцевины может быть не совсем плоской; для этих ОВ необходимо установить приемлемое значение верхнего эталонного уровня.

В общем случае особое внимание уделяют нахождению стабильных и реалистичных базовых эталонных уровней. Для некоторых систем, работающих по методу распределения света в ближнем поле, например использующих модулированный источник освещения и демодулированный сигнал, прогнозируемое значение базового эталонного уровня равно 0. Для других систем базовый эталонный уровень не будет равен 0, и его определяют по набору данных.

По умолчанию эталонный коэффициент k, используемый при измерениях диаметра сердцевины, для ОВ категорий А1 и А4 равен 0,025 (2,5 %), для ОВ категорий А2 и A3 - 0,5 (50 %).

На момент написания настоящего стандарта технические требования для всех ОВ класса А пересмотрены, в т. ч. с целью включения значения коэффициента k, используемого для определения геометрических параметров сердцевины. После опубликования технических требований, включающих данную информацию, предыдущий абзац не следует принимать во внимание, а вместо него следует использовать информацию из технических требований на конкретное изделие.

Для измерений, проводимых регулярно, могут быть использованы другие значения k (другие методы обработки данных сердцевины), в таких случаях измеренные неэталонные значения отображаются на эталонное значение k (и метод), как указано в приложении F.

С.2.3 Одномодовые ОВ классов В и С

Так как таблица, состоящая из координат границы сердцевины для одномодовых ОВ, используется только для определения центра сердцевины с целью расчета неконцентричности, методология, выбранная для определения координат края, не имеет решающего значения. Целесообразно использовать максимальное число пикселей в области сердцевины в качестве верхнего эталонного уровня. Базовый эталонный уровень определяют в соответствии с С.2.2, но необходимо отметить, что погрешности в определении уровня базовой линии обычно менее важны для этих классов ОВ. В общем случае используют коэффициент k, равный 0,25 (25 %).

С.2.4 Прямой расчет геометрических параметров с использованием одномерных данных

Для одномерного массива данных, полученных при одном сканировании после завершения определения края, диаметр тела можно вычислить как простую разницу между краем, обнаруженным в правой стороне области сканирования, и краем, обнаруженным в левой стороне области сканирования.

Как только определены границы сердцевины и оболочки, может быть получено оценочное значение концентричности. Центром оболочки или сердцевины является среднее между левым и правым краями; оценочным значением концентричности - разница между двумя центрами.

Если сканирования проводят более чем для одного угла, геометрические характеристики могут рассчитываться для каждого угла указанным выше способом. Однако при выполнении трех угловых сканирований и более рекомендуется, чтобы координаты краев, полученных при этих сканированиях, были сведены в краевую таблицу, как указано в разделе С.3, и соответствовали эллипсу, как указано в приложении D.

С.3 Построение краевой таблицы из исходных данных

С.3.1 Общие требования

Краевая таблица представляет собой список пар данных X, Y, которые составляют граничные точки тела. Краевые таблицы состоят из координат обнаруженных краев (с помощью метода порога квантования, описанного выше, для оболочек также могут быть применены другие методы, в которых предусмотрены пространственные фильтры) и описывают практически круглую замкнутую кривую свыше 360°. Краевые таблицы получают из двухмерных исходных данных интенсивности, полученных с использованием метода преломления в ближнем поле или метода распределения света в ближнем поле, как указано в приложениях А и В. Краевые таблицы могут формироваться либо из данных растрового сканирования или большого числа одиночных сканирований, проводимых для разных углов. Каждый из этих процессов описан ниже.

С.3.2 Краевые таблицы, получаемые из данных растрового сканирования

На рисунке С.3 показано типовое растровое сканирование, проведенное с использованием устройства, позволяющего получить видеоизображение в ближнем поле; на рисунке показана темная оболочка на ярком фоне без освещения сердцевины. Для построения краевой таблицы для оболочки в этом случае изображение проверяют пиксель за пикселем с помощью методики обнаружения края, описанной в разделе С.2, и составляют список координат обнаруженных краев X, Y.

Каждый ряд и столбец в изображении могут иметь два обнаруживаемых края (если сердцевина освещена, то подмножество рядов и столбцов будет представлять четыре обнаруживаемых края). Ряды за пределами площади ОВ не содержат краев (также, как и столбцы за пределами ОВ). Зеленой линией показан ряд, проходящий вблизи диаметра оболочки. Красной линией выделен ряд, проходящий по касательной к оболочке. При сканированиях, проходящих вблизи центра оболочки, будут получаться наиболее четкие края, в то время как при сканированиях, проходящих практически по касательной, будут получаться трудно различимые края. Следовательно, предпочтительно обнаруживать края по тем рядам и столбцам, которые проходят наиболее близко к центру.

Один подход в обнаружении краев в данном изображении заключается в обнаружении краев только по рядам, проходящим вблизи центра, а для оставшейся периферии обнаружение краев следует проводить, используя обнаружение краев по столбцам. В общем случае наилучшим компромиссом является осуществление этого перехода при углах на изображении 45° и 135°. Желтая линия указывает точку перехода от обнаружения краев по рядам на обнаружение краев по столбцам.

Другой подход заключается в обнаружении краев только с использованием сканирований, которые проходят через грубый центр тела. Для всего изображения может применяться двухмерная интерполяция с целью создания обобщенных одномерных сканирований для множества углов, достаточного для достижения требуемой разрешающей способности при создании видеоизображения: используемое угловое приращение позволяет получить дугу длиной, равной интервалу между пикселями по радиусу тела. Затем обнаруженные края от каждого обобщенного сканирования преобразуются в координатной системе с нулевым углом и добавляются в краевую таблицу.

Рисунок С.3 - Данные растрового сканирования для оболочки

По завершении этих действий для каждого анализируемого тела будет определена таблица длиной n _е, состоящая из координат краев Х _i, Y _i.

С.3.3 Краевые таблицы, получаемые из одномерных сканирований для большого количества углов

Для формирования краевой таблицы из массива данных многоугольного сканирования результаты каждого сканирования обрабатывают, как указано в разделе С.2. Важно, чтобы координаты каждого обнаруженного угла были связаны с тем центром, который является точкой вращения ОВ. В результате каждое обнаруженное тело будет иметь соответствующий набор значений длины для пар значений R _k, . Данные R являются значениями обнаруженных углов для тела с левой и с правой сторон сканирования. Данные R представляют собой числа со знаками "+" и "-"; значения левой стороны будут отрицательными (влево от центра вращения). Затем пары значений R _k, преобразуют в декартовы координаты X, Y краевой таблицы:

.

(С.3)