Методи та засоби комп’ютерного опрацювання сигналів інтерферометрії білого світла

Abstract

Набула подальшого розвитку концепція ефективного використання і розподілу обчислювальної потужності для опрацювання даних в комп’ютерній системі інтерферометрії білого світла. За розробленою концепцією перший спецпроцесор здійснює відбір інформативних інтерферометричних зображень із зареєстрованих CCD-камерою кадрів, знешумлює їх та компенсує вплив оптичних спотворень. Другий спецпроцесор виконує реконструкцію топології поверхні зі змінними параметрами на основі опрацювання кожної окремої інтерферограми за розробленими новими і вдосконаленими відомими методами. Обґрунтовано критерії оцінювання обчислювальної ефективності та точності методів реконструкції, за допомогою яких підтверджено ефективність розроблених методів. Виконано реконструкцію лінійних і сферичних поверхонь, одержаних у ході інтерферометричних вимірювань реальних об’єктів. На основі аналізу властивостей розроблених методів реконструкції подано ефективні варіанти імплементації розроблених методів реконструкції топології поверхні на таких обчислювальних платформах як FPGA, GPU та DSP. Реалізація розроблених методів забезпечує необхідну для інтерферометрії обчислювальну ефективність і точність реконструкції нелінійних поверхонь зі змінними параметрами, що знаходять застосування у багатьох сферах науки і технологій. Диссертационная работа посвящена решению важной научно-прикладной задачи - разработке новых и совершенствованию известных методов реконструкции топологии сложных поверхностей с одной интерферограммы белого света. Получила дальнейшее развитие концепция эффективного использования и распределения вычислительной мощности для обработки данных в компьютерной системе интерферометрии белого света. Согласно разработанной концепции первый спецпроцессор осуществляет отбор информативных интерферометрических изображений из зарегистрированных CCD-камерой кадров, подавляет шум и компенсирует влияние оптических искажений. Второй спецпроцессор выполняет реконструкцию топологии поверхности с переменными параметрами на основе обработки каждой отдельной интерферограммы с использованием разработанных новых и усовершенствованных известных методов. Обоснованы критерии оценки вычислительной эффективности и точности методов реконструкции, с помощью которых подтверждена эффективность разработанных методов. Выполнена реконструкция линейных и сферических поверхностей, полученных из интерферограмм реальных объектов. На основе анализа свойств разработанных методов реконструкции предложены эффективные варианты имплементации разработанных методов реконструкции топологии поверхности на таких вычислительных платформах как FPGA, GPU и DSP. Реализация разработанных методов обеспечивает необходимую для интерферометрии вычислительную эффективность и точность реконструкции нелинейных поверхностей с переменными параметрами, которые находят применение во многих сферах науки и технологий. The thesis is devoted to solve actual applied scientific task of development and improvement of topology reconstruction methods for complex surface based from one white light interferogram. In the work a specificity of surface reconstruction task based on WLI is described, known methods of interferogram processing are analyzed and their suitability for the nonlinear surface topology reconstruction of dynamic objects are assessed. The concept of efficient use and distribution of computing power for data processing in a white light interferometry computer system was further developed. In the developed concept a special first processor selects informative interferometric images recorded with CCD-camera shots, and compensates an influence of optical distortion. A second special processor performs surface topology reconstruction with variable parameters based on the processing of each individual interferogram with help of developed methods. A novel high efficiency reconstruction method of complex topology surfaces is developed, the main idea of which is reversal of an interferometry channel transformation function and applying computationally simple methods of polynomial approximation for individual white light interferogram segments. Research has shown that this method combines the highest computational efficiency and accuracy. For the first time WLI signal decomposition was made for complex exponents, allowing us to apply Prony model for determination of the optical path difference and for nonlinear surface profile reconstruction. Although the method is computationally difficult it is suitable for complete computation parallelization. The reconstruction method based on total phase determination of the normalized WLI signal carrier frequency was improved. The distinctive feature of this method is the use of interpolation for the interferogram amplitude envelope measurement as well as the resolution of arc cosine function ambiguity problem. The method provides the highest accuracy and is computationally effective. Methods of surface profile reconstruction in the field of spatial frequency based on the discrete Fourier and Hilbert transforms were researched and developed. Although reconstruction methods associated with instantaneous WLI signal phase calculation although are difficult, they still provide acceptable reconstruction accuracy. Procedure of reconstruction methods transferring from 2D (reconstruction profile) to a 3D (reconstruction topology) was processed. Highly–performance frame thinning algorithm was developed, that reduces computational costs and allows transient processes investigation using WLI. The possibility of using non-recursive digital filter and wavelet transform for noise reduction in WLI (signal / noise ratio increased by 35 dB) was shown. The effectiveness of the developed methods for real white light interferogram processing is confirmed. Linear and spherical surfaces obtained during interferometric measurements of real objects were reconstructed. Based on the properties analysis of developed topology surface reconstruction methods their effective implementation in computing platforms such as FPGA, GPU and DSP was proposed.