Инструкция пользования системой ввода, анализа и визуализация распределения энергии в сечении лазерного пучка

1. Введение

Система ввода, анализа и визуализации распределения энергии в сечении лазерного пучка (Elphel Laser Beam Analysis and Visualization System - ELBAVS) использует сетевые камеры серии NC303 (как с обычным, так и с волоконно-оптическим входным окном), программное обеспечение, работающее в камере под управлением операционной системы GNU/Linux, и стандартного веб-браузера с VRML плагином, установленном на компьютере пользователя. Браузер получает из камеры веб-страницы, которые воспринимают команды пользователя и посылают запросы, управляющие работой камеры.

Интерфейс пользователя системы ELBAVS напоминает приложение, работающее на компьютере пользователя, но на самом деле это просто веб (html) страница с использованием языка программирования javaScript - вы можете посмотреть ее исходный текст в браузере. Такая реализация накладывает некоторые ограничения, связанные с безопасностью веб-страниц - например, единственный способ сохранить информацию на жестком диске компьютера пользователя, это нажать правой кнопкой мыши на соответствующую ссылку и выбрать команду записи из выпадающего контекстного меню.

Дополнительные контекстные подсказки с описанием назначения конкретной кнопки или поля ввода появляются в отдельных желтых окошках при наведении указателя мыши на кнопки и иконки. Когда подсказки исчезают, то можно подвигать мышку и они появятся опять. Для того, чтобы система восприняла изменение поля ввода необходимо нажать клавишу "Tab" или щелкнуть мышкой в пустую часть страницы.

Система использует cookies для сохранения установок пользователя, но может работать и в том случае если cookies запрещены на компьютера пользователя.

2. Установка

Единственная установка программного обеспечения, которая вам может понадобиться, - это VRML плагин для просмотра трехмерных моделей. Веб-страница ELBAVS попытается автомтически установить Cortona с сайта http://www.parallelgraphics.com/cortona - браузер сначала загружает плагин (~1.5МБ), ничем не показывая, что происходит, и лишь затем спрашивает ваше разрешение на его установку. Вы также можете установить этот плагин вручную по вышеуказанному адресу.

Индикацией успешной установки плагина является трехмерный вариант логотипа Elphel , котроый появляется в правом верхнем фрейме страницы. Логотип вращается во время загрузки страницы, его остановка означает, что страница полностью загружена и ELBAVS готова к работе.

3. Фреймы

Система ELBAVS использует веб-страницу с тремя фреймами:

• верхний левый - двумерная визуализация распределения энергии с использованием выбранной последовательности псевдоцветов (4.2);
• верхний правый - интерактивная трехмерная визуализация лазерного пучка;
• нижний - панель управления.

Вы можете свободно изменять относительные размеры фреймов, двигая мышкой границы между ними.

4. Панель управления

Система ELBAVS позволяет регистрировать изображения во внутреннюю оперативную память камеры, а также, на основе этой информации, показывать двумерную визуализацию, вычислять стандартные параметры пучка и строить трехмерную модель интенсивности как функции двух пространственных координат сечения пучка. Для всех трех видов визуализации и обработки возможен как однократный (ручной) запуск операции нажатием соответствующей кнопки , так и автоматическое исполнение указанной операции (или нескольких операций) включением кнопки "авто" (). В последнем случае все операции, для которых выбран режим "авто" будут производиться после каждой новой регистрации.

4.1 Управление процессом регистрации

1 2 4 8 16 32

Органы управления регистрацией камеры расположены с левой стороны панели управления.
запускает регистрацию изображения во внутреннюю память камеры, а также, операции визуализации или обработки, для которых установлен режим "авто" (соответствующие кнопки находятся в состоянии "включено" - ).
включает режим повторного запуска, следующий цикл регистрации начнется сразу после окончания предыдущего (и выбранных операций обработки и визуализации).
используется для быстрого предварительного просмотра, например, при настройке. При включении этого режима камера будет периодически регистрировать изображения и сразу отображать их в левом верхнем фрейме. Опрерации с темновым кадром (см. ниже) в этом режиме не производятся. Для того, чтобы быстрее переключаться из этого режима в основной и обратно, для предварительного просмотра можно устанавливать разрешение изображения, отличное от основного. Выбор разрешения осуществляется с помощью кнопки , расположенной справа от . При нажатии на кнопку ее изображение будет циклически изменяться на и . "1/4" означает прореживание элементов изображения в 4 раза и по вертикали, и по горизонтали, т.е. общий размер изображения будет в 16 раз меньше, чем при максимальном разрешении ("4/4"). "2/4" - прореживание вдвое по обоим направлениям - общий размер изображения - 1/4 от максимального.
выбор режима внешнего запуска.
Поле ввода справа от иконки устанавливает время экспозиции в милисекундах, поле справа от - установка коэффициента усиления сенсора, который можно изменять в пределах от 1.0 до 5.0.
в следующем ряду - выбор разрешения изображений, регистрируемых в нормальном режиме ( или ), данные которого используются для построения двумерного изображения, трехмерной модели и вычисления параметров пучка. Действия кнопки аналогичны описанному выше для режима предварительного просмотра.
при нажатии будет циклически проходить через состояния , и , обозначая четыре комбинации вертикального и горизонтального перевертывания изображения.
Следующие три кнопки вместе с числовым полем ввода используются для вычитания темнового кадра с целью уменьшения фиксированного шума (fixed pattern noise) сенсора и сигнала, формируемого темновым током. Кнопка включает по-пиксельное вычитание предварительно зарегистрированного темнового изображения из всех последующих кадров. Так как темновой кадр зависит от большинства параметров регистрации (времени экспозиции, разрешения, размеров окна и усиления), кнопка переходит в нерабочее состояние () при изменении любого из них, в этом же состоянии она находится в начале работы. Кнопка будет функционировать после того как камера произведет измерение темнового кадра с измененными параметрами (или первоначальное измерение). Нажатие на запускает измерение темнового кадра, который будет зарегистрирован без ожидания сигнала внешнего запуска даже если режим внешнего запуска включен (). Для уменьшения случайного шума при измерении темнового кадра возможно производить его многократное измерение (1-2-4-8-16-32) с последующим усреднением - выбор осуществляется в окошке справа в том же ряду. Нажатие на кнопку рядом с (она останется в состоянии "включено" - до повторного нажатия) устанавливает режим, когда измерение темнового кадра происходит перед каждой регистрацией рабочего кадра.

Следующие четыре окна ввода, обозначенных , , и определяют положение рабочего окна внутри сенсора (window of interest - WOI). После регистрации значения этих окон могут измениться, соответствуя фактически использованным параметрам, т.к. сенсоры накладывают ограничения на значения этих параметров.

4.2 Установка палитры псевдоцветов

Система ELBAVS использует монохромные приемники изображений, при этом цвет используется для представления различных уровней интенсивностей. Есть возможеность устанавливать количество и последовательность используемых псевдоцветов - соответствующее окно ввода расположено в левом нижнем углу панели управления, рядом с . Вводимая последовательность соответствует переходу от полной темноты (первый символ строки) к максимальной регистрируемой интенсивности (последний символ). Для обозначения цветов можно использовать цифры (0-7) или латинские буквы, соответствующие английским названиям цветов:
0 или K - черный;
1 или R - красный;
2 или G - зеленый;
3 или Y - желтый;
4 или B - синий;
5 или M - лиловый;
6 или C - голубой;
7 или W - белый.
Так, например, "07" или "BW" установит обычное черно-белое полутоновое изображение.

Последовательность псевдоцветов используется при визуализации, а не регистрации изображений. Таким образом, если ее изменить, а затем нажать на соответствующую кнопку ручной операции (см. 4.3 и 4.5 ниже), то появится другая визуализация прежнего кадра, сохраненного в памяти камеры.

В связи с некоторыми ограничениями представления модели VRML (на каждом ребре возможен лишь градиент между двумя цветами), раскраска ребер, имеющих большую разницу значений интенсивности на концах не вполне корректна.

4.3 Двумерная визуализация

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Блок - две кнопки и окно выбора - вправо от значка () предназначен управления двумерной визуализацией кадра, которая строится в верхнем левом фрейме окна ELBAVS. При нажатии на кнопку ручной операции () появится отображение данных, записанных в памяти камеры во время последней произведенной регистрации, кнопка "авто" () устанавливает режим, когда двумерная визуализация будет производиться автоматически после каждой новой регистрации (см. 4.1 выше). Окно выбора (0-7) вправо от позволяет изменять режим сжатия изображений. "0" устанавливает выдачу несжатых файлов в формате BMP, размер которых превышает мегабайт для полного кадра. Значения "1"-"9" выбирают сжатие изображений по стандарту JPEG, причем "1" соответствует самому высокому качеству изображений, а "9" - самому маленькому файлу.
Эти же установки сжатия используются и при построении трехмерных моделей (см. 4.5 ниже), обнако там качество модели не меняется, т.к. стандарт VRML использует обратимое сжатие gzip.

4.4 Измерение параметров пучка

X Y   Energy mJ Calibration mJ/pix/count Sensor   Area cm Pixels   Ellipse X Y   Centroid cm Width cm Aspect   Azimuth deg Diameter cm

Центральная часть панели управления используется для вычисления стандартных параметров пучка на основе данных, зарегистрированных камерой. Там также показывается тип используемого сенсора и размеры окна (WOI). Кнопки ручной операции и "авто" работают также, как и для двумерной визуализации (см. 4.3 выше) - нажатие запускает однократную обработку текущих данных в памяти камеры, а "авто" () включает режим, когда обрабатывается каждый регистрируемый кадр (см. 4.1 выше). Установка поля ввода "Calibration" позволяет масштабировать значения, выдаваемые в поле "Energy".

4.5 Интерактивная трехмерная визуализация

8x8 16x16 32x32 64x64 128x128 256x256

Камера строит трехмерную модель интенсивности как функции двух пространственных координат, используя массив данных полученный приемником изображений. Модель является интерактивной, т.к. после ее передачи на компьютер пользователя возможно изменение некоторых параметров визуализации. Тем не менее, некоторые параметры должны быть определены до построения модели, которое осуществляется кнопками и , подобно процедуре, описанной выше в 4.3 и 4.4, и необходимо строить модель заново чтобы их изменения были учтены:
  - Последовательность псевдоцветов (описана выше в 4.2);
  - Величина сжатия файлов (см. 4.3). При установке сжатия "0" генерируются текстовые файлы, более высокие значения соответствуют сжатию фалов gzip согласно стандарту VRML. Алгоритм сжатия обратим, поэтому увеличение степени сжатия не приводит к изменению самой модели;
  - размер ячейки сетки - окно выбора рядом со значком . Он определяет количество пикселей зарегистрированного камерой изображения, которое усредняется для получения каждой трехмерной точки модели. Таким образом выбор "8х8" соответствует самой подробной модели (и самому большому файлу) - усредняются по 64 пикселя, а "256х256" соответствует самой грубой модели (и маленькому файлу) - усредняется по 65536 пикселей;
  - число линий равного уровня которые строятся для полного диапазона интенсивностей, которое указывается в окне ввода рядом со значком (показано 25).

Все остальные кнопки и окна ввода ниже позволяют модифицировать визуализацию без необходимости построения новой модели камерой. Они включают:
  - , , и - переключение видов на модель с четырех углов, соответственно: отрицательного X/ отрицательного Y, положительного X/ отрицательного Y, положительного X/ положительного Y и отрицательного X/ положительного Y;
  - - ближний и - дальний вид сверху (в VRML нет настоящего параллельного вида "в плане");
  - - представление объемной (solid) модели и - представление проволочной (wireframe) модели;
  - - управление видимостью сетки, построенной по трехмерным точкам модели;
  - - управление видимостью "плоских" линий равного уровня, построенных в плоскости Z=0;
  - - управление видимостью "поднятых" линий равного уровня, построенных с Z, соответствующим интенсивности, так что эти линии принадлежат той же поверхности, что и трехмерная сетка ();
  - , , и включают и выключают видимость индивидуальных квадрантов сетки - это позволяет наблюдать вертикальные сечения модели;
  - обозначает окно ввода для вертикального масштаба модели;
  - ("рентген") обозначает поле для установки степени прозрачности граней модели, построенным по ссетке (). Это значение не влияет на видимость ребер сетки и линий равного уровня.

В дополнение к шести заготовленным видам модели, переключаемым кнопками, вы можете поворачивать модель в любое положение с помощью мыши. Дополнительные возможности манипулирования трехмерной моделью и ее визуализацией (и инструкция пользования плагином) доступны из контекстного меню, которое появляется при нажатии правой кнопки мыши над правым верхним фреймом (окном трехмерной модели).

4.6 Операции с файлами

Система ELBAVS предоставляет возможность сохранения данных, полученных из камеры, в компьютере пользователя и считывания ранее сохраненных трехмерных моделей для их интерактивной визуализации.

4.7 Выбор языка интерфейса и инструкция пользователя

Кнопки с флажками USA и РФ переключают язык, на котором выдаются сообщения и "подсказки" (tooltips). устанавливает английский язык, а - русский. Кнопка открывает страницу, которую вы сейчас читаете, на языке, соответствующем текущему выбору.