TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ẢNH CHO HỆ THỐNG QUANG HỌC ĐỘ SÂU TRƯỜNG MỞ RỘNG BẰNG KẾT HỢP HAI ẢNH CỦA HAI MẶT NẠ ĐỐI XỨNG XUYÊN TÂM IMPROVING IMAGE - QUALITY FOR EXTENSED DEPTH - OF - FIELD OPTICAL SYSTEM BY COMBINING TWO IMAGES OF TWO RADIALLY SYMMETRIC PHASE MASK Lê Văn Nhu, 2Trần Trọng Thắng Học Viện Kỹ thuật quân Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 05/10/2021, Ngày chấp nhận đăng: 24/12/2021, Phản biện: PGS.TS Vũ Hải Tóm tắt: Trong báo này, đề xuất kết hợp ảnh hai mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm cho nâng cao chất lượng tạo ảnh hệ thống tạo ảnh Phương pháp đưa đến trình xử lý ảnh từ hai ảnh hai mặt nạ pha mà đưa đến hàm truyền quang học khác vùng tần số khác Hai mặt nạ pha sử dụng hai mặt nạ pha bậc bốn Ảnh nhận từ hai ảnh đưa đến chất lượng tốt tồn miền tần số Kết mơ ảnh chứng minh phương pháp đề xuất đưa đến ảnh tốt tồn miền tần số Từ khóa: Mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm, tăng cường chất lượng ảnh, độ sâu trường (DOF), mặt nạ pha bậc (QPM) Abstract: In this paper, we propose the combination two images of two radially phase masks to improve image quality of imaging systems Method is obtained by digital processing of two images of two phase masks which have two diference optical transfer functions at low frequence and high frequence regions Two phase masks are used to be square phase masks Images by using digital processing has better quanlity on all frequency region Simulation Results demonstrated that proposed method is used to obtain good image on all frequency region Keywords: Radially phase mask, imaging improvement, Depth of Field, Square phase mask GIỚI THIỆU CHUNG Ở hệ thống quang học truyền thống, ứng với giá trị độ số (NA) xác định đưa đến khoảng độ sâu trường xác định mà có vật nằm Số 27 vùng đưa đến ảnh sắc nét rõ ràng [1] Tuy nhiên có nhiều ứng dụng thực tế yêu cầu khoảng độ sâu trường rộng cho nhận thông tin vật ba chiều tạo ảnh y tế, thiết bị quan sát 99 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) giảm quang sai cho hệ thống quang học Một cách đơn giản để tăng độ sâu trường giảm giá trị NA xuống Tuy nhiên phương pháp giảm độ tương phản tín/tạp (SNR) Do phương pháp khơng sử dụng phổ biến thực tế Gần đây, có phương pháp ứng dụng cho mở rộng độ sâu trường mặt nạ pha đặt thêm vào hệ thống quang học cho nhận hàm nhòe điểm (point spread function-PSF) hàm truyền điều biến (modulation transfer function-MTF) gần bất biến khoảng độ sâu trường mở rộng [2], nhờ thơng tin vật độ sâu trường lớn nhận Một mặt nạ pha phổ biến sử dụng mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm Các mặt nạ pha đưa đến ảnh sắc nét chấp nhận mà không cần qua xử lý ảnh để nhận ảnh tốt cần xử dụng thêm q trình xử lý ảnh [3] Thêm vào đó, ảnh nhận từ mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm không xuất tạp chất (imaging artifasts) [4] Các mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm cho mở rộng độ sâu trường đề xuất mặt nạ pha bậc bốn (QPM) [5], mặt nạ pha logarit [6], mặt nạ pha lai ghép nhiễu xạ [7], mặt nạ pha phi cầu [8] Trong QPM sử dụng phổ biến thực tế Do QPM mặt nạ pha hàm toán học chẵn nên PSF sinh không đối xứng qua mặt phẳng ảnh hướng dọc trục Hay nói cách khác, MTF giá trị lệch tiêu (defocus) âm dương khác giá trị tuyệt đối độ lệch 100 tiêu Điều đưa đến đặc tính tạo ảnh thú vị cho QPM giá trị lệch tiêu dương hàm MTF cao vùng tần số thấp bị giảm vùng số cao giá trị lệch tiêu âm hàm MTF thấp vùng tần số thấp cao vùng tần số cao Thêm vào đó, chúng tơi phát mặt nạ pha (được gọi sQPM) có đặt tính tạo ảnh hồn tồn giống với QPM ngược lại với giá trị lệch tiêu dương hàm MTF thấp vùng tần số thấp cao vùng tần số cao giá trị lệch tiêu âm hàm MTF cao vùng tần số thấp thấp vùng tần số cao Chúng đề xuất phương pháp xử lý số với hai ảnh nhận từ hai mặt nạ pha cho nhận ảnh có chất lượng tốt tồn miền tần số PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH TẠO ẢNH CỦA QPM VÀ sQPM Mặt nạ QPM cho mở rộng độ sâu trường biểu diễn dạng tốn học sau: fQPM ( x, y) a( x y )2 b( x y ) (1) Hàm đồng tử hệ thống quang học liên quan đến mặt nạ và độ lệch tiêu biểu diễn sau: P ( x, y ) exp{i[ f ( x, y ) ( x2 y )]} if x y2 other (2) với L2 ( n f d ) d0 (3) đó, L kích thước đồng tử; bước sóng ánh sáng; , d, d0 tiêu cự, Số 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) khoảng cách đến vật, khoảng cách đến ảnh Hàm PSF tính tốn từ theo biến đổi Fourier hàm đồng tử sau: h FFT P( x, y) (4) Hàm truyền quang học (optical transfer function-OTF) nhận từ biến đổi Fourier hàm PSF sau: H FFT h (5) Hàm MTF thành phần biên độ OTF Mặt nạ pha sQPM nhận dạng công thức sau: f sQPM ( x, y ) max( fQPM ( x, y )) a( x b( x y )2 y2 ) (6) Có thể thấy sQPM dịch chuyển mặt nạ QPM mà đưa đến giá trị khơng vùng ngồi biên giá trị lớn xuất tâm Ảnh nhận mơ tả cơng thức sau: g o*h n (7) (7), o vật n nhiễu Ở miền tần số (Fourier domain) công thức (7) biểu diễn sau: G O H N (8) đó, G biến đổi Fourier g, O biên đổi Fourier N biến đổi Fourier n Như công thức (7), ảnh nhận Số 27 phụ thuộc vào PSF, công thức (8) ảnh nhận phụ thuộc vào OTF Tham số mặt nạ pha QPM sQPM cần tối ưu hóa để nhận đặt tính tạo ảnh tốt Trong báo này, sử dụng tham số mặt nạ QPM nhận tối ưu hóa báo [2], tham số tối ưu mặt nạ pha QPM a=17.65 b= 14.6 Từ đó, ta có giá trị lớn mặt nạ pha QPM 3.06 Như tham số tối ưu hóa cho hai mặt nạ pha QPM sQPM xác định Trên sở tham số này, tiến hành khảo sát đánh giá hàm MTF Hàm MTF ứng với hệ thống quang học truyền thống, mặt nạ pha QPM sQPM hình Hàm MTF thấp chất lượng ảnh nhận thấp Hình 1(a) ra, hàm MTF tương đối nhạy với thay đổi độ lệch tiêu Khi trị tuyệt đối tham số lệch tiêu lớn hàm MTF thấp Do vậy, chất lượng ảnh hệ thống quang học truyền thống suy giảm nhanh giá trị lệch tiêu tăng lên Khơng khó để nhìn thấy hàm MTF mặt nạ pha QPM sQPM tương đối bất biến với độ lệch tiêu so sánh với hàm MTF hệ thống quang học truyền thống Từ Hình 1(b) 1(c) thấy hai hàm MTFs mặt nạ pha QPM sQPM đối xứng qua mặt phẳng ảnh tiêu cự Khi giá trị độ lệch tiêu dương ( = 3, 9), giá trị hàm MTF mặt 101 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) nạ pha QPM vùng tần số thấp lớn giá trị MTF mặt nạ pha sQPM, giá trị hàm MTF mặt nạ pha QPM vùng tần số cao thấp giá trị MTF mặt nạ pha sQPM Điều nghĩa chất lượng tạo ảnh mặt nạ pha QPM vùng tần số thấp tốt mặt nạ pha sQPM, chất lượng tạo ảnh mặt nạ pha QPM vùng tần số cao thấp mặt nạ pha sQPM Trong báo này, đề xuất phương pháp cho kết hợp hai ảnh cho nhận ảnh độ chất lượng tốt toàn miền tần số phương pháp xử lý ảnh Phương pháp xử lý ảnh trình bày mục (b) (c) Hình Hàm MTF cho hệ thống quang học truyền thống, mặt nạ pha QPM sQPM ứng với độ lệch tiêu khác KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Hai ảnh nhận từ hai mặt nạ QPM (a) sQPM mà có hai hàm MTF khác cho khôi phục ảnh độ tương phản cao Ở báo này, sử dụng q trình khơi phục ảnh mời để nhận ảnh độ tương phản cao Thuật toán sử dụng cuộn nghịch đảo Richardson-Lucy [9] Cơng thức q trình xử lý ảnh trình bày sau : Thuật tốn khơi phục mơ tả cơng thức sau đây: 102 g ok 1 ok h* ok * h (9) g hk 1 hk ok * ok * h (10) Số 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) đó, g ảnh nhận đầu thu; o vật; h hàm nhòe điểm; ℎ̇ liên hợp hàm nhòe điểm h; k giá trị vòng lặp; ký hiệu * tích chập Vần đề cần sử dụng thuật toán mờ Richardson-Lucy cho nhiều ảnh Vấn đề giải sau: vịng lặp, q trình thực ảnh tương ứng với độ sâu hội tụ sử dụng cơng thức (9) (10) sau ảnh cuối nhận cộng ảnh khơi phục Q trình diễn giải hệ thống công thức (11) - (13) sau: gi oi ,k 1 ok hi ,k * ok * hi ,k (11) gi hi ,k 1 hi ,k ok * ok * hi ,k (12) (13) i 1 đó, i số thứ tự ảnh dọc trục; N số lượng ảnh Trong báo này, thực với N=2 Chúng chọn hai ảnh mẫu dạng hình sin cho đánh giá hiệu phương pháp đề xuất Hai ảnh mẫu tương ứng với khu vực tần số thấp tần số cao Ảnh ứng với khu vực tần số thấp hình (a), ảnh mẫu ứng với tần số cao hình (b) Hai ảnh sử dụng đầu vào Số 27 (a) (b) N ok 1 oi ,k cho thực q trình mơ tạo ảnh hệ thống quang học mở rộng độ sâu trường Hình Hai ảnh mẫu dạng sin ứng với khu vực tần số thấp tần số cao Bằng sử dụng công thức (7), ảnh nhận với mặt nạ pha QPM sQPM ứng với vật mẫu tần số cao Ở hình 3(a) 3(b), tương ứng Trong ảnh phương pháp đề xuất hình 3(c) Từ hình 3(a) 3(b) thấy chất lượng ảnh mặt nạ pha QPM tốt chất lượng ảnh mặt nạ pha sQPM Có thể thấy chất lượng ảnh phương pháp đề xuất tốt hai ảnh mặt nạ pha QPM sQPM 103 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Tiếp theo, xem xét trình tạo ảnh độ lệch tiêu =6 Hai ảnh mặt nạ pha QPM sQPM hình 5(a) 5(b), tương ứng, cho vật mẫu ứng với khu vực tần số thấp (a) (a) (b) (b) (c) Hình Ảnh mặt nạ pha QPM, sQPM phương pháp đề xuất độ lệch tiêu =9 cho ảnh hình sin ứng với khu vực tần số thấp Hai ảnh mặt nạ pha QPM sQPM hình 4(a) 4(b), tương ứng, cho vật mẫu tướng ứng với vùng tần số cao độ lệch tiêu =9 Từ hình 4(a) 4(b) thấy chất lượng tạo ảnh mặt nạ pha QPM thấp mặt nạ pha sQPM Hình 4(a) thấy ảnh nhận có mức cường độ sáng gần vị trí điểm ảnh nên gần khơng phân biệt vạch Hình 4(c) cho thấy ảnh phương pháp đề xuất tốt ảnh mặt nạ pha sQPM 104 (c) Hình Ảnh mặt nạ pha QPM, sQPM phương pháp đề xuất độ lệch tiêu =9 cho ảnh hình sin ứng với khu vực tần số cao Có thể thấy chất lượng ảnh mặt nạ pha QPM tốt mặt nạ pha sQPM Trong khi, ảnh phương pháp đề xuất tốt so với ảnh mặt nạ pha QPM, thấy rõ hình 5(c) Hai ảnh mặt nạ pha QPM sQPM độ lệch tiêu =6 Hình Số 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 6(a) 6(b), tương ứng, cho vật mẫu ứng với khu vực tần số cao Có thể thấy ảnh mặt nạ pha QPM gần có mức cường độ điểm ảnh nên không biệt vạch sáng tối Chất lượng ảnh mặt nạ pha sQPM tốt QPM Tuy nhiên, thấy ảnh phương pháp đề xuất tốt ảnh mặt nạ pha sQPM thể hình 6(c) (a) (b) (a) (c) (b) Hình Độ lệch tiêu =6 theo thứ tự từ xuống ảnh cho QPM, sQPM phương pháp đề xuất Cuối xem xét tạo ảnh độ lệch tiêu =3 Hai ảnh mặt nạ pha QPM sQPM ảnh 7(a) 7(b), tương ứng, cho vật mẫu ứng với khu vực tần số thấp (c) Hình Độ lệch tiêu =6 theo thứ tự từ xuống ảnh cho QPM, sQPM phương pháp đề xuất Số 27 Có thể thấy ảnh mặt nạ pha QPM tốt ảnh mặt nạ pha sQPM Trong hình 7(c) cho thấy ảnh phương pháp đề xuất tốt ảnh 105 ... pháp cho kết hợp hai ảnh cho nhận ảnh độ chất lượng tốt toàn miền tần số phương pháp xử lý ảnh Phương pháp xử lý ảnh trình bày mục (b) (c) Hình Hàm MTF cho hệ thống quang học truyền thống, mặt nạ. .. cao Chúng đề xuất phương pháp xử lý số với hai ảnh nhận từ hai mặt nạ pha cho nhận ảnh có chất lượng tốt tồn miền tần số PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH TẠO ẢNH CỦA QPM VÀ sQPM Mặt nạ QPM cho mở rộng độ sâu. .. gần bất biến khoảng độ sâu trường mở rộng [2], nhờ thơng tin vật độ sâu trường lớn nhận Một mặt nạ pha phổ biến sử dụng mặt nạ pha đối xứng xuyên tâm Các mặt nạ pha đưa đến ảnh sắc nét chấp nhận