Основные методы обработки сигналов

Большинство методов обработки одномерных сигналов (например, медианный фильтр) применимы и к двухмерным сигналам, которыми являются изображения. Некоторые из этих одномерных методов значительно усложняются с переходом к двухмерному сигналу. Обработка изображений вносит сюда несколько новых понятий, таких как связность и ротационная инвариантность, которые имеют смысл только для двухмерных сигналов. В обработке сигналов широко используются преобразование Фурье, а также вейвлет-преобразование и фильтр Габора. Обработку изображений разделяют на обработку в пространственной области (преобразование яркости, гамма коррекция и т. д.) и частотной (преобразование Фурье, и т. д.). Преобразование Фурье дискретной функции (изображения) пространственных координат является периодическим по пространственным частотам с периодом 2pi.

Машинное зрение

Машинное зрение делится на два типа: активное и пассивное. В первом случае предполагается обратная связь. Радары, лазерные дальномеры и ультразвуковые датчики, которые посылают в пространство сигналы и регистрируют отраженные, относятся к активным системам машинного зрения.

Пассивные системы — это датчики, которые никак не выдают своего присутствия, а только поглощают излучаемые предметами волны или вибрации. Фотоматрицы регистрируют отраженный от предметов свет различных длин волн и делают выводы. В этом же ряду — сенсоры, чувствующие тепло и вибрации.

Наше зрение называется стереоскопическим, или бинокулярным. За счет того, что мозг знает, на каком расстоянии расположены глаза друг от друга и под какими углами, нам удается прикинуть дистанцию до объекта. Два глаза позволяют понять, что перед нами, — плоскость или объемный предмет. Одноглазому роботу непросто идентифицировать выкрашенный в один цвет куб, особенно если освещение будет равномерным.

Чтобы наверняка определить расстояние до объекта, одноглазый робот может менять фокусное расстояние, приближая или удаляя объект. Машина делает несколько снимков с разными приближениями, а затем выбирает из них тот, на котором главный предмет виден наиболее четко. При известном фокусном расстоянии вычислить дистанцию проще простого.

Задачи машинного зрения

Машинное зрение пригодится не только для того, чтобы ориентировать робота в пространстве. Большой спрос есть в дефектоскопии — проверке качества продукции в промышленности. Компьютер можно научить восстанавливать 3D-изображение по нескольким фотографиям, находить в толпе одного человека или же нескольких с определенным выражением лица. Для медиков компьютер может расшифровывать рентгеновские и томографические снимки.

Уже сейчас машинное зрение задействуется в охранных системах — для идентификации личности, распознавания автомобильных номеров, а также расшифровки рукописного и печатного текста.

Фурье - спектрометрия

Фурье-спектрометр — оптический прибор, используемый для количественного и качественного анализа содержания веществ в газовой пробе.

Принцип действия

Основной элемент фурье-спектрометра — интерферометр Майкельсона (т.е. двухлучевой интерферометр)

.

Конструктивно состоит из светоделительного зеркала, разделяющего входящий луч на два, которые в свою очередь, отражаются зеркалом обратно. На полупрозрачном зеркале разделённые лучи вновь направляются в одну сторону, чтобы смешавшись на экране, образовать интерференционную картину. Анализируя её и изменяя длину одного плеча на известную величину, можно по изменению вида интерференционных полос измерить длину волны, либо, наоборот, если длина волны известна, можно определить неизвестное изменение длин плеч. Радиус когерентности изучаемого источника света или другого излучения определяет максимальную разность между плечами интерферометра.

Допустим, у нас имеется когерентный источник излучения с определённой длиной волны. Когда разность хода двух лучей, пришедших в приёмник, равна λ/2 (то есть лучи пришли в противофазе) интенсивность света, регистрируемая приёмником, близка к нулю. При перемещении правого зеркала интерферометра Майкельсона разность хода лучей изменяется, изменяется и интенсивность света, регистрируемая приёмником. Очевидно, что интенсивность света максимальная, когда разность хода лучше будет кратна длине волны λ.При перемещении зеркала с постоянной скоростью на выходе приёмника будет наблюдаться электрический сигнал синусоидальной формы. Притом период синусоиды зависит от длины волны источника, а амплитуда от интенсивности источника.

Теперь представим, что на входе некогерентный источник. Каждая длина волны в спектре источника света будет давать свою синусоиду на выходе приёмника. Таким образом на выходе приёмника мы получаем сложный сигнал. При выполнении над полученным сигналом обратного преобразования Фурье получаем спектр входного электрического сигнала, который также является спектром излучения источника (то есть интенсивность излучения источника на различных длинах волн).