КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-29-00603

НазваниеХарактеризация шумовых параметров высокоразрешающих фоторегистраторов для оптико-цифровых систем

РуководительРодин Владислав Геннадьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые словаоптико-цифровая система, оптическая обработка информации, фотодетектор, цифровая фотокамера, дифракционная оптическая система, пиксел, дробовой шум, шумоподавление, отношение сигнал/шум

Код ГРНТИ29.33.00, 47.37.00


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на разработку оптико-цифровых средств регистрации и обработки, а также дальнейшего повышения качества изображений. Актуальность проекта определяется ростом требований к информативности и скорости функционирования существующих и перспективных средств обработки сигналов и изображений. Фундаментальной проблемой является достижение высокой цифровой точности передачи и обработки сигналов в оптико-цифровых системах. В проекте данная проблема решается путем применения специально разрабатываемых оригинальных цифровых методов, предполагающих оценку и учет факторов, ухудшающих качество регистрации световых сигналов, а также обеспечивающих снижение требований к объему регистрируемой информации. Методы разрабатываются с учетом параметров систем цифровой регистрации. Современные оптико-цифровые системы с преобразованием волнового фронта (например, системы формирования изображений, системы фильтрации и распознавания изображений, системы преобразования изображений) требуют точного знания шумовых параметров используемых фоторегистраторов. При этом зачастую требуется высокая скорость определения этих параметров. Кроме того, точное знание шумов камер важно для ряда других задач, таких как использование систем, основанных на методов цифровой голографии,определение источника изображения, идентификации камер по снимкам, обнаружения наличия постобработки данного снимка и других задачах (например, направленных на защиту авторского права, противодействия незаконной деятельности и др.). Качество изображений также ограничивается шумами используемых средств регистрации: временными и пространственными. Для подавления шумов используются методы фильтрации, получившие в настоящее время значительное развитие, являющееся предметом большого количества исследований. Современные шумоподавляющие фильтры (в том числе, наиболее мощные на сегодняшний день - BM3D и NLM) позволяют производить шумоподавление, но ограничиваются аппроксимацией по световому шуму. При этом формально темновые шумы рассматриваются, но только как одно постоянное значение, поэтому не могут быть подавлены в должной степени. Помимо этого, большинство характеристик камер, необходимых для эффективного шумоподавления, априори неизвестны (так как не измеряются или не предоставляются производителями). Даже в случае высокотехнологичных научных камер и камер технического зрения при решении ряда современных задач эти характеристики требуют оперативного и точного измерения. С учетом вышесказанного, предлагаемый проект направлен на одновременное решение следующих взаимосвязанных между собой задач: 1) Оперативное (за счет съемки всего нескольких кадров) и точное (с погрешностью не более 3%-5%, что соответствует показателям при использовании стандартных методов) измерение: 1.1) темновых и световых пространственных шумов используемых цифровых средств регистрации; 1.2) темновых и световых временных шумов используемых цифровых средств регистрации. 2) Повышение качества регистрируемых световых распределений за счет постобработки, учитывающей искажающие факторы оптико-цифровых систем. 3) Апробация разработанных методов при решении задач построения оперативных оптико-цифровых систем различного назначения. Апробация разрабатываемых методов предполагается при создании: 1) систем измерения пространственных и временных шумов цифровых камер, 2) систем оптической обработки и отображения двумерных изображений и трехмерных сцен, 3) оптико-цифровой системы регистрации изображений с улучшенным отношением сигнал/шум. Использование разрабатываемых оперативных и точных методик измерения параметров средств регистрации позволит определять характеристики регистраторов лучше (вплоть до характеристик каждого пиксела), по сравнению с тем, что обеспечивают в настоящее время существующие оперативные методы измерения. Учет влияния шумовых параметров средств модуляции и отображения позволит компенсировать их до вывода полученных сигналов. Новизна проекта определяется тем, что в результате его выполнения будет создана совокупность новых взаимосвязанных цифровых методов регистрации и формирования информативных изображений, обеспечивающая как улучшение характеристик существующих оптико-цифровых систем, так и создание оптико-цифровых систем с новыми пользовательскими возможностями.

Ожидаемые результаты
По итогам проекта должны быть получены следующие основные результаты: 1) Результаты анализа особенностей методов оперативного и времязатратного измерения пространственных и временных шумов матричных регистраторов. Будут получены зависимости различных параметров друг от друга: точность метода, его вычислительная ресурсоемкость, минимальное количество точек зависимости временного шума от уровня сигнала и др. 2) Разработка методов оперативного (за счет съемки всего нескольких кадров) и точного (с погрешностью не более 3%-5%, что соответствует показателям при использовании стандартных методов) измерения параметров используемых средств регистрации: пространственных и временных шумов. 3) Результаты измерения разработанными методами пространственных и временных шумов регистраторов с матрицами основных типов: как на основе ПЗС (прибор с зарядовой связью), так и КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) технологий. 4) Апробация методов в различных практических задачах: повышение сигнал/шум, идентификации камеры по снимку и др. Данные результаты позволят существенно продвинуться в разработке и создании оптико-цифровых систем регистрации, преобразования и воспроизведения изображений. В ходе выполнения проекта все разработанные методы должны быть экспериментально апробированы при построении экспериментальных образцов конкретных оптико-цифровых систем, а именно: - система измерения временных шумов цифровых камер, - система измерения пространственных шумов цифровых камер, - оптико-цифровая система регистрации изображений в когерентном, пространственно-некогерентном и немонохроматическом свете с повышенным отношением сигнал/шум. Значимость планируемых результатов состоит в том, что они составят теоретическую и экспериментальную базу, необходимую для повышения характеристик существующих оптико-цифровых систем, а также для создания новых типов таких систем, в том числе введением автоматизации функционирования и дополнением новыми техническими и пользовательскими возможностями. По результатам, полученным в ходе выполнения данного проекта, будут опубликованы не менее чем 7 работ, в том числе не менее 4 в изданиях, входящих в базы данных «Сеть науки» (Web of Science), «Скопус» (Scopus), касающихся тематики прикладной оптики (например, Optics and Lasers in Engineering (Elsevier), Optics Communications (Elsevier), Applied Optics (OSA), Journal of Optics, Laser Physics Letters (IOP), Квантовая оптика (Quantum Optics, Turpion)) или тематики фотосенсоров (например, Sensors (издательство MDPI); IEEE Sensors Journal (IEEE); Optical Engineering (SPIE) и др.)).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
При реализации проекта в 2022 г. проводились следующие работы: 1) Разработка метода измерения неоднородности чувствительности пикселов (световых пространственных шумов), неоднородности темнового сигнала (темновых пространственных шумов), темновых временных шумов и временных дробовых шумов матричных фоторегистраторов, сравнение его со cстандартом EMVA 1288. 2) Проведение численных экспериментов по моделированию измерения шумов матричных фоторегистраторов с использованием разработанного метода. 3) Оценка точности и вычислительной ресурсоемкости разработанного метода при измерении дробового временного шума на примере фотосенсоров различных камер. 4) Проведение экспериментов с использованием камер различных типов по измерению неоднородности чувствительности пикселов матричных фоторегистраторов, обработка результатов экспериментов 5) Оценка возможностей достижения оперативности разрабатываемого метода за счет снижения числа регистрируемых сцен до двух; точность и вычислительная ресурсоемкость метода. 6) Разработка метода подавления шума регистрирующей камеры и спекл-шума в цифровой голографии 3D-фильтрацией 7) Численная апробация метода подавления шума регистрирующей камеры и спекл-шума в цифровой голографии 3D-фильтрацией 8) Экспериментальная апробация метода подавления шума регистрирующей камеры и спекл-шума в цифровой голографии 3D-фильтрацией 9) Написание публикаций, выступления на конференциях. В ходе выполнения Проекта появилось множество информационных ресурсов, которые ссылались на выполненные задачи, в том числе: «Молодые ученые НИЯУ МИФИ приняли участие в школе-симпозиуме по голографии» https://www.atomic-energy.ru/news/2022/06/27/125832 (Атомная энергия 2.0, дата: 27.06.2022. Поддержка фонда и номер гранта указаны в тексте новости. Издания ссылаются на нее: например, https://mephi.ru/press/news/18951 ) «Сотрудники НИЯУ МИФИ выиграли конкурс на присуждение премии имени Ю.И. Островского» https://www.atomic-energy.ru/news/2022/06/27/125841 (Атомная энергия 2.0, дата: 27.06.2022. Поддержка фонда и номер гранта указаны в тексте новости. Издания ссылаются на нее: например, https://mephi.ru/press/news/18953 ) При проведении указанных работ получены следующие основные результаты: 1) Метод измерения неоднородности чувствительности пикселов (световых пространственных шумов), неоднородности темнового сигнала (темновых пространственных шумов), темновых временных шумов и временных дробовых шумов матричных фоторегистраторов. 2) Модель численных экспериментов по измерения шумов матричных фоторегистраторов с использованием разработанного метода. 3) Результаты по оценке точности и вычислительной ресурсоемкости разработанного метода при измерении дробового временного шума на примере фотосенсоров различных камер. 4) Результаты измерения неоднородности чувствительности пикселов матричных фоторегистраторов предлагаемым методом 5) Результаты оценки точности, вычислительной ресурсоемкости и возможностей достижения оперативности разрабатываемого метода за счет снижения числа регистрируемых сцен до двух. 6) Метод подавления шума регистрирующей камеры и спекл-шума в цифровой голографии 3D-фильтрацией 7) Результаты численной апробации метода подавления шума регистрирующей камеры и спекл-шума в цифровой голографии 3D-фильтрацией 8) Результаты экспериментальной апробация метода подавления шума регистрирующей камеры и спекл-шума в цифровой голографии 3D-фильтрацией 9) Публикация 3 работ, сделано 2 доклада на 2 Международных конференциях.

 

Публикации

1. Черёмхин П.А., Евтихиев Н.Н., Козлов А.В., Краснов В.В., Родин В.Г., Стариков Р.С. An optical-digital method of noise suppression in digital holography Journal of Optics, Vol. 24 (11), 2022, Pp. 115702. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/2040-8986/ac90d3

2. Черёмхин П.А., Евтихиев Н.Н., Козлов А.В., Краснов В.В., Родин В.Г., Стариков Р.С. Virtual camera-based analysis of photosensor characterization methods Procedia Computer Science, Vol. 213, 232–239 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.procs.2022.11.061

3. Козлов А.В., Родин В.Г., Черёмхин П.А. Подавление шума регистрирующей камеры и спекл-шума в цифровой голографии 3D-медианной фильтрацией Сборник трудов XXXII международной школы-симпозиума по голографии, когерентной оптике и фотонике, г. Санкт-Петербург, c.164-165 (год публикации - 2022)

4. - Молодые ученые НИЯУ МИФИ приняли участие в школе-симпозиуме по голографии Атомная энергия 2.0, Дата: 27.06.2022. Поддержка фонда и номер гранта указаны в тексте новости. Издания ссылаются на нее: например, https://mephi.ru/press/news/18951 (год публикации - )

5. - Сотрудники НИЯУ МИФИ выиграли конкурс на присуждение премии имени Ю.И. Островского Атомная энергия 2.0, Дата: 27.06.2022. Поддержка фонда и номер гранта указаны в тексте новости. Издания ссылаются на нее: например, https://mephi.ru/press/news/18953 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
При реализации проекта в 2023 г. проводились следующие работы: 1) Разработка оперативного метода измерения шумов фотосенсоров камер за счет съемки кадров всего 2 сцен. 2) Проведение численных экспериментов по моделированию измерения неоднородности чувствительности пикселов матричных фоторегистраторов с использованием разработанного метода измерения шумов по результатам съемки кадров 2 сцен. 3) Обработка результатов экспериментов по измерению неоднородности чувствительности пикселов и временных шумов фотосенсоров цифровых камер, оценка точности и вычислительной ресурсоемкости разработанного метода измерений на основе съемки кадров 2 сцен. 4) Проведение экспериментов с использованием цифровых камер различных типов по измерению шумов фотосенсоров с использованием кадров 2 сцен. 5) Экспериментальная апробация метода измерения шумов фотосенсоров на основе кадров 2 сцен с использованием цифровых камер различных типов. 6) Измерение портретов пространственных шумов камерами различного типа (не менее трех) для практического использования в задаче идентификации камер по снимкам. 7) Анализ полученных в ходе выполнении проекта результатов. 8) Написание публикаций по исследуемым данным тематиками. В ходе выполнения Проекта появилось множество информационных ресурсов, которые ссылались на выполненные задачи, в том числе: «Разработан новый способ оценки шумов фотосенсоров цифровых камер» https://naked-science.ru/article/column/razrabotan-novyj-sposob-o (Naked Science, Дата: 31.03.2023). Поддержка фонда указана в тексте новости. Многие издания ссылаются на нее: например, "Наука.рф": https://xn--80aa3ak5a.xn--p1ai/news/fiziki-pridumali-sposob-povysit-kachestvo-raboty-tsifrovykh-kamer-/ При проведении указанных работ получены следующие основные результаты: 1) Оперативный метод измерения неоднородности чувствительности пикселов, световых и темновых временных шумов матричных фоторегистраторов. 2) Результаты численной апробации разрабатываемого метода оперативного измерения шумов фотосенсоров с использованием автоматической сегментации с оценками точности; сравнение с измерительными стандартами. 3) Результаты экспериментальной апробации метода оперативного измерения шумов фотосенсоров четырёх типов с использованием автоматической сегментации равномерного объекта с оценками точности. 4) Результаты выработки требований к разработанному методу оперативного и точного измерения временных и пространственных шумов матричных фоторегистраторов. 5) Результаты анализа и обобщение полученных в ходе выполнении проекта результатов, формулировка указаний и методик по их применению. 6) Публикация 4 работ, сделано 2 доклада на 2 конференциях.

 

Публикации

1. Козлов А.В., Никитин Н.В., Родин В.Г., Черёмхин П.А. Повышение достоверности идентификации цифровых камер: оптимизация алгоритма сравнения их шумовых портретов Измерительная техника (Measurement techniques), - (год публикации - 2023)

2. Козлов А.В., Родин В.Г., Стариков Р.С., Евтихиев Н.Н., Черёмхин П.А. Estimation of camera’s noise by uniform target segmentation IEEE Sensors Journal, Vol. 23, No. 5, Pp. 4883-4891 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3238673

3. Козлов А.В., Родин В.Г., Черёмхин П.А. Методы оценки шумовых характеристик фоторегистраторов на основе автоматической сегментации для задач когерентной фотоники Сборник трудов XXXIV Всероссийской школы-семинара "Волновые явления: физика и применения", c.9-12 (год публикации - 2023)

4. Козлов А.В., Родин В.Г., Черёмхин П.А. Оценка локальных отклонений по шумам цифровой камеры для винеровской фильтрации в цифровой голографии Сборник трудов XII Международной конференции по фотонике и информационной оптике, Сборник трудов XII Международной конференции по фотонике и информационной оптике, Москва, 2023, c. 649-650 (год публикации - 2023)

5. - Разработан новый способ оценки шумов фотосенсоров цифровых камер Naked Science, Дата: 31.03.2023. Поддержка фонда указана в тексте новости. Многие издания ссылаются на нее: например, "Наука.рф": https://наука.рф/news/fiziki-pridumali-sposob-povysit-kachestvo-raboty-tsifrovykh-kamer-/ (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
Данные результаты позволят продвинуться в разработке и характеризации оптико-цифровых систем регистрации, преобразования и воспроизведения изображений: 1) систем измерения пространственных и временных шумов и характеризации матричных регистраторов, преобразователей и модуляторов излучения; 2) систем оптической обработки и отображения двумерных изображений и трехмерных сцен, в том числе в когерентном излучении; 3) оптико-цифровых систем регистрации изображений с автоматическим улучшением отношения сигнал/шум на стадии получения снимка или в результате пост-обработки.