Содержание к диссертации
Введение . , -: '.." 4-.
Глава її Современные методы математического моделирования^ при
оптическом;измерении микрогеометрии поверхности
1.1 Обзор современных. методов* оптического измерения;
' микрорельефаг ;; 12
1.2. Особенности строения и функционирования: оптического
. микроскопа- 24
Г.3. Использование глубины; резкости* объектива для определения
- высотных характеристик поверхности 29
УЛ. Эмпирическая.оценка точности.определения высоты оптической
'.Л СИСТемЫ"'';""',"';'Л ': '.;' '''.-'.'/" ,-'" '''' '. ч^//:.,//, ..'//, .'" 34 /;
V.5: Выводы по главе. Цели и'задачи диссертационноШработы 40*
Глава 2: Математическая модель, процесса реконструкции /и
измерения микрорельефа поверхности интерпретацией-
сфокусированности набора изображений
Структура процесса\реконструкции микрорельефа поверхности ; 43-
Математическая модель определения резкости изображеииш 46
Построение: морфометрической карты высоты на. основе модели анализа резкости ' 52
Алгоритм позиционирования точек реконструируемой поверхности 56
Анализ точности определения высоты точек образующих базовую поверхность 60
Применение фильтрации для компенсации зашумлённости полученных результатов 72
Выводы по главе 78
Глава 3. Разработка системы моделирования рельефа поверхности.
путём послойного сканирования с фокусировкой на различные
'области:' '' '-...
3.1- Структура и функциональные требования задачи реконструкции
микрогеометрии поверхности 80
' , ' :'...'' ":''' . ''V"3';- ' " : '" '' .-...':'' ':" '
3.2 Модуль инициализации исходных данных и настройки
параметров реконструкции поверхности 83
3:3. Модуль анализа результатов реконструкции;поверхности 88'
3.4' Модуль визуализации и построения трёхмерной модели
поверхности^ форматах STL, и STEP . 93
3;5 Описание принципов функционирования модулей входящих; в
программный комплекс Optical Reconstruction 3D 101
3.6 Выводы по главе 105
Глава-;"4': Исследование возможности применения разработанных
моделей иалгоритмов для решения практических задач
MV Результаты^ . экспериментальной . проверки, /комплекса
реконструкции микрогеометрии поверхности 107
4-2 Сравнительный' анализ .функциональных характеристик,
'; программного.комплексам существующими аналогами 112
4.3 Исследование области применения программного комплекса 115
4:4 Экономический эффект^ при внедрении программного комплекса 119
4;5 Выводы по главе ' ! ; - 120'
Заключение . .'_.-"'" ' : .';
Литература , : ; 124
Приложение 1. Фрагменты; исходных текстов программного комплекса
Optical Reconstruction 3D 133
Приложение 2. Описание типов представления данных хранящихся в
файлах 142
Приложение 3; База знаний определения точности позиционирования 145
Приложение 4: Пример файла STL 150
Приложение 5. Пример файла STEP 152
Приложение 6. Акты внедрения программного комплекса Optical
Reconstruction 3D" -І*"
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В настоящее время задача исследования поверхности микрообъектов является.чрезвычайно актуальной в различных областях науки и промышленности. Наряду с существующими методами в последнее время развивается компьютерное объёмное моделирование для построения- моделей исследуемого образца. Метод измерения и визуализации рельефа поверхности с помощью компьютеризированного оптического комплекса, требующий больших расчётов, получил свое развитие лишь при нынешнем уровне развития* вычислительной техники.
Реконструкция объёмных моделей микрорельефа поверхности является-важной-задачей исследований в области промышленности, биологии и медицины. В частности, этот метод находит применение при исследованиях в электронике, металлургии, при контроле качества изделий, производстве пластиков и* полимеров, в судебной медицине, гистологии, нейрологии, ботанике^ в тех областях, где для исследований.используется'оптическая микроскопия. Метод реконструкции5 можно применять в тех случаях, когда необходимо измерить геометрические параметры исследуемого объекта или оценить, как поведет себя компьютерная модель поверхности микрообъекта в реальных условиях эксплуатации.
Актуальность разработки метода объёмной реконструкции обусловлена необходимостью воссоздать исследуемую поверхность с большой точностью и наименьшими потерями, времени, что невозможно сделать существующими методами. Также преимуществом метода объемной реконструкции является его стоимость. Метод позволяет расширить возможности сравнительно дешевого оптического микроскопа до возможностей стереоскопа или электронного микроскопа. Потребность в системе реконструкции связана со спросом рынка на аналогичные системы, что подтверждает их активное развитее. В'качестве примера можно привести программы ImageExpert (ООО "Новые экспертные системы") и Auto-Montage (фирма "SYNCROSCOPY"). В последнее время указан-
ной проблеме уделяется все больше вниманияj.и как следствие появляются,новые, более точные алгоритмы, реконструкции;-. Однако^ в целом:задача остается\ актуальной вследствие закрытости-большинства; используемых алгоритмов и их недостаточной точности. .:
Таким образом, с учётом* того; что наиболее важными? характеристиками-систем реконструкции»объемной модели поверхности; являются скорость и; точность' её построения^; актуальной*задачей остается*разработка и. внедрение но-^ выхмоделеши алгоритмов^, способных, построить ЗЕ)ї- модель поверхности по-изображениям.
Цель работыі иі задачи исследования;. Целью диссертационной работы являетсяфазработка* новых моделей ишетодов1 объёмной; реконструкции исследуемой^ поверхности^ при; компьютерной; микроскопии; Разработанные; модели; должны отличаться;высокой точностью тнадёжностью работы^ а;так;—же обладать большой гибкостью» с цельюг ихі настройки* при* обработке разнородных изображений:
Для достижения данною цели; были- поставлены ифешены^следующиегза-дачи: *
''' Определить возможности*- оптической; системы, по определению; высоты на примере компьютеризированного комплекса Eeica DM IRM и зависимости точности измерений от увеличения микроскопа на основании теоретических и эмпирических исследований.
Разработать новые и модифицировать существующие математические модели и методы для решения задачи объемной реконструкции исследуемой поверхности.
Реализовать разработанные алгоритмы в программном комплексе.
Провести проверку эффективности работы программного комплекса при решении;тестовых ^практических задач.
Для решенияшоставленных задач применялись следующие-методы:'математический анализ, дифференциального исчисление, тригонометрия, аппарат
нечётких множеств, задачи регрессии, системный анализ,- цифровая обработка изображений, объектно-ориентированное программирование. Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложена новая математическая модель определения, значения размытости изображения в точке на основании дифференциального исчисления. Данная^ модель отличается высокой точностью оценки и скоростью работы.
Предложен алгоритм уточнения высоты точки-исследуемой поверхности на основании значения размытости и положения точки в. плоскости заданного кадра.
' Предложен метод определения точности позиционирования точек по высоте на основании аппарата нечётких множеств., Применение аппарата нечётких множеств в данном случае1 наиболее целесообразно, так как исходные данные при-определении точности позиционирования «являются ненадёжными и слабо формализованными.
Предложен новый*, метод сглаживания, результатов: объемной рекон-струкции^ на основании косинусоидального распределения. Введенная зависимость позволяет сглаживать, высоту точек с учётом точности их позиционирования, уравнивая тем самым значения точности для всей поверхности в целом.
Практическая значимостью ценность диссертационной работы:
Проведён эмпирический анализ возможности определения высоты по
фокусу и найдена точность этого метода, а также чувствительность измерения
высоты для микроскопа Leica DM IRM.
- Разработан метод определения степени размытости любых снимков
(расширение глубины фокуса), а также метод сглаживания данных, искаженных
шумами. Эти методы могут применяться для решения широкого круга задач.
Создан программный комплекс построения трёхмерных моделей по-
верхностей, который позволяет создавать высококачественные трёхмерные мо
дели поверхностей по набору снимков, с возможностью их сохранения в фор
матах STL и STEP. Также система позволяет: анализировать реконструируемые
модели поверхности с целью определения их точности, вычислять объемные геометрические параметры, анализ которых не возможен стандартными спосо- , бами компьютерной микроскопии, расширить возможности компьютерной микроскопии за счёт новых методов обработки данных.
Цели и поставленные задачи определили структуру работы::
В первой главе проводится обзор современных: .методов математического моделирования и измерения микрогеометрии поверхности. Рассматривается анализатор изображений, предназначенный для получения и преобразования изображений микрогеометрии поверхности образца. Рассматриваются основные возможности компьютерной микроскопии при работе анализатора, с изо-. бражениями; Из всех направлений: компьютерной; микроскопии в настоящее время меньше всего реализована трёхмерная реконструкция, так как данный метод требует сложных математических расчётов. Вопросы трехмерной реконструкции; в частности, рассматривались в работах.В; F. Пантелеева, О. В. Его- , ровой, А. А: Захарченко, Б. Яне, Дж.Штойрера и др.
В качестве примеров анализатора изображений приводятся программы DnageExpert (GOO* "Новые экспертные системы") и Auto-Montage (фирма "SYNGROSCOPY"). Описаны недостатки-данных систем: отсутствие мощного математического аппарата реконструкции объёмных моделей, отсутствие экспорта 3D — моделей и калибровки системы.
Рассмотрены особенности строения и функционирования оптического микроскопа, как основного прибора для получения цифровых изображений исследуемого образца, а также возможности применения глубины резкости его объективов, с целью определения высотных характеристик поверхности. После теоретических исследований, доказывающих возможность измерять высоту поверхности, используя оптический микроскоп, проводится эмпирическая оценка точности определения высоты оптической системы. Полученная погрешность измерений фокусировкой показывает, что данный метод применим для нахожт дения высоты исследуемого образца с достаточно высокой точностью (99,4%
для* увеличений в 500 и 1000 крат и: элементов.образца высотой;не менее 10
мкм); ;.'.- ' .','."..'. '.-. ./,'.':''' " .'';';.'' '"..'- '" ' ''''"'
Вторая гяявашосвящена рассмотрению теоретических аспектов процес
са реконструкции поверхности по набору фокусного ряда поверхности иссле
дованиям ;
Предложена математическая?модель определения чёткости изображений; которая* позволяет получить' цифровую оценку чёткости; фотографии в каждой» её точке. Выраженная;: в числовой форме чёткость- позволяет сравнивать различные области одной фотографии и-разные изображения»; между собой: Используя модель определения;чёткости можно по набору.фотографий.сгенериро-ватьгизображение:с;эффектомфасширенногофокуса;^то естьполностью ^чёткое изображение.; Эта-задачам очень актуальна в оптической: микроскопии, где? глубина резкости объективов очень малаі
Использованная?bs работе: морфометрическаяі карта; полученная^ на .осно
вании? чёткости фотографий* даёт не:только*визуальное представление;о> раст
... пределении;высот, но иігеометрическую^форму областйшаходящейсяша однож
высоте. Эти данные в дальнейшем используются для уточнения? высоты точек-:
реконструируемой поверхности, а также в процессе определения точности^ по
зиционирования точек по высоте. Уточнение высоты точек осуществляется ал
горитмом позиционирования точек реконструируемой поверхности: Данный
алгоритм позволяет связать.чёткость.точек имеющих одну глубину резкости на
фотографии с высотой:этих точек,,что в результате переопределяет рассчитан
ную ранее высоту точки. -
В процессе реконструкции поверхности необходимо знать, как точно построенная модель аппроксимирует физическую поверхность. Для: определения этой точности в.работе предложен метод анализа точности позиционирования высоты на базе аппарата нечётких, множеств: Вгходе анализа'определяется,точность- каждой* точки: для? построения- карты» точности^ высот, которая? дает не только цифровое, но и визуальное: представление о распределении точности. Значения;точности использует фильтр сглаживания для приведения точности к
9 одному общему значению. Фильтр сглаживания, предложенный для сглаживания шумов по высоте, использует метод регрессии значений и наилучшим образом подходит для сглаживания одного зашумленного параметра по линейно изменяющимся другим. Фильтрация является окончательным этапом реконструкции поверхности.
В результате применения выше изложенных моделей и методов можно получить набор данных, которые несут информацию об объёмной форме поверхности с рассчитанной точностью.
В третьей главе рассмотрена практическая реализация процесса реконструкции поверхности по набору фотографий с различными зонами фокусировки. Разработанный программный комплекс является гибкой системой реконструкции с возможностью оценки результатов. Комплекс позволяет просматривать объемные модели поверхностей, используя технологию OpenGL или сохранять в стандартизированные файлы (STL, STEP).
Модуль инициализации позволит добавлять исходные данные необходимые для реконструкции, а так же, даст возможность редактировать параметры, используемые в процессе реконструкции. Исходными данными являются: цифровые фотографии, их взаимное расположение, расстояние между ними и размер пикселя при переводе в ед. измерения длинны (мкм.). Все эти параметры при редактировании исходных данных могут быть изменены и сохранены в базу данных.
Программа должна анализировать результаты реконструкции без построения объёмной модели. Можно выделить три типа данных: различные карты высоты, изображения с расширенным фокусом и карты точности позиционирования. Карты высоты дают представления о распределении высот будущей 3D - модели, что позволяет строить профиль высоты. Расширение фокуса позволяет получить чёткое изображение, что позволяет сделать вывод о достаточном количестве исходных фотографий. Карта точности показывает наиболее точно определённые участки и общую точность в целом. Для анализа большинства изображений используются гистограммы и отрезки на изображении. На
фотографии поверхности с расширенным фокусом, можно измерять площадь выбранной области.
.'.'-. Результатом работы программы;является объёмная?модель поверхности* объекта исследования. Просмотреть, данную- модель можно,, используя? модуль^ визуализации» 3D/- моделей)', которыш реализован? с применением технологии OpenGB. Дляфасширения возможностей,системы в^сфере анализа- и редактирования объёмных моделей; планируется сохранять; 3D - модели в стандартизованных форматах. STIE и STEP. Данные 3D — форматы распознаются болынинт ством современных ЄAiD/ЄАШ система
. Четвёртая- глава' посвящена исследованию? возможности; применения;.
разработанных моделей ші алгоритмов1для«решенияшрактических задач:. В» ходе
исследования* возможности^ применения^ разработанных, моделей и -алгоритмов-
будет проведена- серия экспериментов5 и решено несколько практических задач;.,
в< результате которых определится точность результатов! и; надёжность щтїре
шении? различныхзадачу;Система: определения точности: позиционирования по
зволяет оценить достаточность данных ещё на стадии промежуточной: реконст
рукции. ,. : '' ...
При проведении исследования точности реконструируемой модели будут выявлены следующие особенности реконструкции:
Связь точности с величиной шага захвата изображений.
Зависимость точностиїот геометрии исследуемой поверхности.
Влияние на точность сглаживания реконструируемой поверхности:
Планируется провести сравнение системы с конкурирующими программ
ными продуктами, а так же исследование её области применения.
Результатышсследований позволили сформировать следующие положе
ния, выносимые на защиту: ,
Математические модели» для определения значения размытости изображен иявточке.
Алгоритмы определения высоты точки по степени её размытости.
Метод определения точности позиционирования с использованием теории нечётких множеств.
Математическая модель фильтра для сглаживания зашумлённости результатов объемной реконструкции.
Разработанные алгоритмы программы реконструкции объёмной модели поверхности микрообъекта для условий компьютерной микроскопии.
.-;' ПлаваПІ СОВРЕМЕННЫЕ МЕТ0ДЫ1МА1"ЕМ/^ИЧЕСКОга? МОДЕЛИРОВШИЯІПРИОПШИМЕСКОМІИЗМЕРЕНИИ; МИКРОГЕОМЕТРЙИ ПОВЕРХНОСТИ
НИ Обзор современных методов оптического измерения
микрорельефа;
Исследование, микроструктуры объектов является актуальной задачей 'в
большинстве сфер науки и промышленности. Научное направление, сочетаю
щее в себе .технологии, и методы изучения элементарных частиц микромира; по
зволяющих получать изображения, невидимые невооруженным глазом, называв
ется - микроскопия. Основной прибор микроскопии- это анализатор изобра
жений. . : ,.;'
Анализатор изображений представляет собой программно - аппаратный; комплекс, предназначенный^ для получения, преобразования; количественной* обработки; изображений^ хранения полученнойшнформации.[50];
Свойства и состав комплекса определяются? теми задачами, на решение
которых он направлен: Ир№ этом его свойства не являются простой совокупно
стью возможностей отдельных составляющих, подобранных в соответствии с
конкретной задачей. Объединение в единую систему отдельных приборов по
зволяет получить новые возможности, которыми не обладает ни одна из со
ставляющих данной системы. Например, ни микроскоп, ни камера, ни компью
тер в отдельности не могут измерять оптические параметры объекта, а собран
ный на их основе анализатор, обладает свойством проведения фотометрических
измерений. >
Универсальный анализатор изображений-понятие условное, также как условно понятие "автомобиль" или "компьютер". Невозможно создать анализатор для; решения всех задач^ поэтому на практике наибольшее распространение приобрели специализированные приборы. Томографы, разнообразные приборы ультразвуковых исследований являются типичными представителями специа-
13 лизированных анализаторов изображений, которые оснащены различными видами датчиков для регистрации сигналов разного типа [50].
Анализатор изображений для световой микроскопии представляет собой специализированный комплекс для работы с микрообъектами в области видимого света (360 - 770 нм.). Он имеет модульное строение и состоит из оптического микроскопа, системы ввода изображений (цифровая камера), компьютера (ПК) и Web камеры для трансляции хода исследовании по сети.
Модульность строения системы обеспечивает гибкость при анализе изображений, такая система легко может быть адаптирована к потребностям пользователя в зависимости от задачи, которую он собирается решать с помощью анализатора изображений. Адаптация системы может производиться не только модернизацией или заменой модуля, но и установкой специализированного программного обеспечения по обработке изображений. В рамках одного направления (медицина, биология, материаловедение и т. д.) используются системы, где универсальность достигается многофункциональностью отдельных блоков.
Система ввода изображений состоит из светового микроскопа и камеры. Микроскоп обеспечивает выбор, поля наблюдения при разных увеличениях и условиях освещенности. Он формирует изображение на матрице камеры, которая, в свою очередь, передает изображение в виде цифрового телевизионного или фото сигнала в компьютер. Камера, используемая в анализаторах, подбирается, исходя из поставленной задачи, и в значительной степени определяет качество изображения, передаваемого в компьютер [46].
Микроскоп и камера представляют собой
единый модуль, в котором отдельные части под
бираются по совместимости оптических Рис. 1.1. Система ввода:
свойств и соединяются специализированным микроскоп - Leica DM IRM,
камера - Olympus
адаптером, который устанавливается на
14 видеовыход микроскопа. Адаптер служит не только для механической установки камеры, но и обеспечивает передачу изображения без искажений и с максимальным процентом видимого поля-микроскопа на светочувствительную матрицу камеры (рис 1.1).
Компьютер важная часть анализатора изображений, определяющая, быстродействие выполнения поставленной задачи и надежность комплекса в целом. Программное обеспечение определяет технологию работы анализатора. В зависимости от специализации анализатора, набор имеющихся функций программного обеспечения может сильно варьироваться, но в общем случае он включает в-себя семь основных блоков:
блок ввода цифровых данных (ввод изображений, регистрация входных данных)
блок редактирования и- преобразований* цифровой графической информации (редактирование изображений, изменение яркости, контрастности, морфологические операции, специальные фильтрация графики и т. д.)
блок распознавания-изображений (нахождение объектов по заданным характеристикам на изображении)
блок измерений различных геометрических признаков объекта на изображении
блок вывода результатов работы (вывод результатов на экран, печать бланков, обмен с базой данных по исследованию, взаимодействие с другими программами)
блок калибровки программы (настройка функциональных клавиш, создание алгоритмов, установка начальных параметров работы программы)
система подсказок и справочной информации
Качество анализатора изображений, в конечном-счете, определяет научно - технический уровень фирмы разработчика.
Рассмотрим основные возможности работы с изображениями при помощи анализатора. Особое место при анализе изображений занимают такие возможности, которые дает метод компьютерной микроскопии по сравнению с
15 традиционным визуальным наблюдением под микроскопом., Главным свойством анализатора является универсальность подхода к анализу, вне зависимости от типа исследуемого объекта. Изображения, полученные с прозрачного или люминесцирующего биологического препарата, полированного непрозрачного шлифа горной породы или металла, обрабатываются схожим набором функций. Просто, в зависимости от решаемой задачщ меняетсяшабор и порядок используемых операций [50].
Для анализа объектов различного типа в компьютерной микроскопии можно выделить общие возможности:
Формирование больших полей наблюдения
Увеличение глубины резкости
Трёхмерная реконструкция^
Работа в условиях низкой освещённости
Формирование больших полей наблюдения. При наблюдении в микроскоп исследователь, в поле зрения- видит только ту часть препарата, размер которой ограничивается размером полевой диафрагмы окуляра. Например, для> микроскопа с окуляром 10х, имеющего линейное поле 23 мм, и объективом 10х поле на предмете составляет 2,3 мм, для объектива 100х - 0,23 мм; Следует отметить, что в анализаторах изображений окуляры служат только для наблюдения объекта глазом и исключаются из оптической системы, формирующей изображение на матрице камеры, т. к. она монтируется на микроскоп через специальный адаптер. В этом случае размер поля наблюдения определяется оптикой адаптера.
Все объекты, над которыми проводится количественный анализ на изображении, по структуре можно разделить на два типа: несвязанные и связанные. Объекты первого типа, характеризуются тем; что для них не имеет значение, как расположены одни структурные элементы относительно других, а важны только факт наличия каких-либо элементов и их количество. Подобные объекты анализируются путем* набора нужного количества полей наблюдения по заданному алгоритму перемещения по препарату. В этом случае важно набрать
представительную выборку анализируемых объектов, но снятые поля не перекрываются друг с другом. К подобным объектам, например, в биологии и медицине, относятся цитологические препараты, а в материаловедении - гранулометрические препараты.
Связанные объекты образуют структуру, в которой важно не только наличие и количество разных элементов, но и их взаимное расположение друг относительно друга и последовательное изменение в пределах объекта исследования. К подобному типу относятся многие гистологические срезы или шлифы материалов с неоднородной текстурой (рис. 1.2).
таких структур
характерно, когда один
элемент прослеживается в
нескольких полях наблюдения,
так как нет возможности
подобрать увеличение, при
котором этот элемент
полностью размещался бы в
г Рис 1.2. Изображение трещины в металлической
анализируемое поле, и при детали: вверху - сшитое из отдельных фрагмен
тов изображение всей трещины; внизу - фраг-
этом были различимы его мент с высоким разрешением.
внутренние детали. При анализе таких объектов способ выбора отдельных, не связанных между собой полей наблюдения не подходит, т. к. в этом случае нет возможности оценить интересующие элементы, как одно целое. В дальнейшем сшитое изображение может использоваться для количественного анализа измерения длины, ширины, доли неметаллических включений и др.
Увеличение глубины резкости. Глубина резкости (или область резкого видения), с физической точки зрения, некое пространство, имеющее определенную толщину, связанную с параметрами объектива. Причем как в плоскости предмета, так и в плоскости изображения имеется аналогичное пространство. Каждой точке (плоскости), расположенной в фокусном пространстве предмета, соответствует эквивалентная точка (плоскость) в пространстве изображений,
17 что и обеспечивает резкость изображения объекта [50]. Величина области резкого видения в плоскости предмета определяется основным параметром объектива - числовой апертурой, а в плоскости изображения определяется еще и его увеличением цифровой камеры. С возрастанием числовой апертуры объектива глубина резкости в плоскости предмета уменьшается. Например, для объектива 1 Ох с числовой апертурой 0,25 глубина резкости будет составлять 6,4 мкм, в то время как для объектива того же увеличения, но с числовой апертурой 0,40 она будет 2,5 мкм.
Рис 1.3. Серия изображений нейрона: слева - изображения, снятые с микроскопа при последовательных перефокусировках; справа - результирующее изображение. На нем присутствуют все отростки, и может быть определено их количество
Если толщина или глубина исследуемого объекта такова, что не превышают глубину резкости объектива, то все элементы этого объекта отображаются резко. Однако существуют случаи, когда анализируемый объект имеет толщину большую, чем глубина резкости объектива. Анализаторы изображений имеют в своем составе специальную функцию, позволяющую получить изображение со значительно большей областью резкого видения, чем это позволяет сделать система объектив -окуляр. Для этого путем последовательной перефокусировки снимается фокусный ряд изображений, на каждом из которых в фокусе находится только часть поля наблюдения. Затем программа автоматически формирует результирующее изображение, на котором все элементы объекта видны резко.
Особенно большое значение имеет использование этой функции при необходимости проведения измерений на объектах большой толщины. Рис. 1.3
-''/ '" ;':;V. ' ' : '". 18 '"'. . ;.-.'". .'..'.'' иллюстрирует: возможность получения нейрона со всеми отростками на одном
изображении, хотя принаблюденийв микроскоп невозможно найти плоскость,^
на которойвсе части нейрона находились бы в- фокусе, т. е: были» бы одинаково
резко видны.по всему видимому полю. .
Для тех случаев, когда нужно получить информацию об обьеісге; не толь- , ко> в плоскостиіХ^, но и узнать, на каком расстоянии друг от друга находятся отдельные слои объекта по высоте, плоскости; снимаются с заданным шагом.
Трёхмерная реконструкция: Для;анализа большинства структур достаточ--
но изучения изображений поплоским ('2D) срезам;.Однако в некоторых случаях
необходим анализ объёмной* структуры! объекта;, например для определения*
формы, размеров,взаимного расположенияэлементов на поверхности и др-: По
добные'задачи: встречаются*как Btобласти; материаловедения^ таки вшедицине-
и биологии: Например; изучение-поверхностидеталей машин; при: износе без*
получениящнформации; об объемномгстроениише даст полного представления; о
структуре данной поверхности: ч
Самый- простой; способ получения трехмерного изображения структуры является» 3D; диаграмма, то есть построение объемнош модели, используя; информацию о яркостшточек, исходного изображения; Для построения подобной5 диаграммы используется; не только информация о значениях яркости точек, но и их координаты в плоскости изображения. По осям X и Y откладываются координаты точки (пикселя), а по Z значение яркости (рис. 1.4): На такой диаграмме, чем меньше-яркость точки, тем ниже она находится на поверхности и наоборот, самые яркие точки соответствуют вершинам. Полученное "объемное" изображение позволяет лучше рассмотреть объект, но не проанализировать его поверхность, а тем более объем.
Образующаяся, поверхность может быть, дополнительно описана трехмерной «математической, мод елью, что5 позволяет вращать поверхность, рассекать её в> разных направлениях, оттенять ее особенности цветовьіми градиентами;. Это, конечно, не полноценная трехмерная * реконструкциям так- как здесь нет
19 данных для количественной обработки, т. е. невозможно рассчитать реальные расстояния и высоты.
Рис 1.4. Пример ЗЭ-диаграммы: А - исходное изображение; Б - диаграмма
Другой способ объемной реконструкции заключается в усовершенствовании метода "увеличения глубины резкости". Производя последовательную съемку разных плоскостей поверхности объекта с известным фокусным расстоянием, можно получить точные количественные данные о положении точки по глубине (высоте). Используя эти данные, можно реконструировать и визуализировать поверхность, имеющую рельеф (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Реконструированная 3D - поверхность
На этой поверхности можно рассчитать величину шероховатости и сглаженности, объем элементов пор и другие объёмные характеристики. Созданная поверхность позволяет выполнить измерения высоты неровностей, ее можно
20 вращать, рассматривая естественные особенности. Однако такой способ построения объёмных моделей применим только поверхности исследуемого объекта. Данный метод может быть успешно применен в следующих областях: количественная фрактография, контроль качества при производстве различных материалов, микротехнология, биология, медицина и др.
Несмотря на трудоемкость в подготовке и съемке срезов, трехмерная реконструкция все более широко используется исследователями, так только она позволяет заглянуть вглубь объекта и проанализировать структуру в целом.
Работа в условиях низкой освещённости. Современные микроскопы оснащены мощными осветительными системами, которые позволяют получить достаточную освещенность исследуемой поверхности объекта как в проходящем, так и в отраженном свете. Однако существуют образцы, создающие низкий уровень светового сигнала, который является следствием их состава или строения и неотъемлемым свойством.
Например, в материаловедении к такому классу относятся шлифы с низким двулучепреломлением, анализируемые в поляризованном свете. В биологии и медицине к этому типу принадлежат флуоресцирующие препараты с невысоким содержанием флуорохромов. При наблюдении через окуляры даже при максимальном накале лампы микроскопа человеческий глаз только через некоторое время начинает различать слабо светящиеся объекты [50]. Анализатор даёт возможность, используя методы обработки цифровых изображений, получать хорошо контрастные и пригодные для измерений изображения такого типа объектов.
В качестве примера можно привести программы ImageExpert (ООО "Новые экспертные системы") и Auto-Montage (фирма "SYNCROSCOPY").
Программа ImageExpert предназначена для решения задач количественного анализа изображений микроструктур в металлографии, материалов и порошков в материаловедении, препаратов и объектов в медицине и биологии. Анализатор представляет собой интеграцию современных технологий по обработке изображений, созданных на базе мощных математических методов и про-
21 веренных на практике более чем в полусотне промышленных предприятий и научных центров в России и за рубежом [89].
Анализатор позволяет получать широкий спектр геометрических параметров элементов структуры, к наиболее важным из которых можно отнести процентные доли составляющих; площади; периметры; минимальные, максимальные и средние диаметры; параметры формы и вытянутости объектов; характеристики распределения объектов (в том числе ареальные диаграммы и диаграммы свободных расстояний, гистограммы межцентровых расстояний и расстояний между объектами); характеристики анизотропии структур и многое другое. Получаемые характеристики доступны как для каждого объекта в отдельности, так и в виде их статистической подборки.
Для ввода графической информации в программе предусмотрен Мастер съёмки, поддерживающий широкий спектр аналоговых и цифровых видеокамер, работающих под управлением современных WDM-драйверов и механизма DirectShow библиотеки DirectX. Управление режимами работы видеокамеры можно осуществлять непосредственно из программы.
Рис. 1.6. Возможности программы ImageExpert
В ImageExpert Pro реализован механизм послойной микроскопии. При съемке под микроскопом недостаточную глубину фокуса компенсируют съемкой нескольких кадров при разных уровнях резкости. Полученная серия кадров автоматически обрабатывается анализатором с получением полностью резкого изображения. Если кадры были получены при упорядоченном снижении или
поднятию фокуса, то такжеі возможно получение карты высот объекта. Использование технологии отображения: трёхмерных объектов; 0penGE позволяет ПОг лучить- реалистичное изображение цветового профиля- при плавномs его вращении: в; заданных направлениях. Примеры;-' работы программы представлены- на,
.рИС 1.6;,. ''"'''.".' ; '.'.."'
Auto-Montage PRO захватывает серию изображений?на различной*глубине фокуса, начиная с самого низкого участка образца; заканчиваязсамымивысо-киму частком:, После этого из полученных изображений система; формирует одно ^изображение, сфокусированное по всей глубине [83]:. Автоматически формируется карта; глубины для формирования трехмерного* изображения:, Auto-Montage РЯОшозволяет:
Получить четкое и, сфокусированное изображение по всей* глубине фо
куса; :".'.' ' ., -. : , '-..''
.- «Построить 3D?— модель с возможностью вращениямоделишо-всех плоскостях для оценки образца^
Получить стереопару для левого и правого глаза1
Создать цветовойфельеф глубины для оценки поверхности образца'
Создать 3D- стереоизображение для просмотра образца в объеме на экране монитора
Произвести 2D и 3D измерения
Программа Auto-Montage позволяет создавать четкие изображения по всей глубине фокуса,, в реальном времени. Можно выбрать из нескольких уникальных алгоритмов построения сфокусированного изображения в зависимости* от типа образца. Изменение размера-зоны анализа в алгоритме позволяет регулировать процесс формирования* четкого изображения. Можно выбирать или удалять снятые изображения.,, которые служат для формирования- конечного изображения в зависимости от их качества. При помощи фильтров (размытость, яркость,, контрастность, баланс цвета и другие). Можно отредактировать изображение. Внесенные изменения мгновенно отображаются на. конечном сфоку-
23 сированном изображении. Все это дает возможность получить четкое сфокусированное изображение и карту глубины.
Создание карты глубины позволяет быстро оценить данные по высоте каждой детали препарата. При перемещении курсора мыши по карте глубины на экране монитора отображается ее локализация, и высота конкретной точки в реальном времени.
Auto-Montage PRO предоставляет один из лучших инструментов визуализации трехмерного изображения, который создает объемное (анаглифное) изображение, просматриваемое в специальных стереоочках на экране монитора. Программа формирует два отдельных изображения для правого и левого глаза. В результате, используя стереоочки можно просмотреть реальное трехмерное изображение. Примеры работы программы представлены на рис 1.7.
Рис. 1.7. Возможности программы Auto-Montage Такое обилие различных програмных комплексов исследования микроструктуры объектов, говорит о востребованности компьютерной микроскопии. В данном направлении ведутся разработки не только программных, но и технических средств, направленных на облегчение съёма данных в ходе исследования. Основной особенностью анализатора изображений является то, что его использование ведёт к расширению возможностей уже существующих технических средств исследования микроструктуры. В связи с этим можно сделать вывод об актуальности работ, направленных на создание программных комплексов расширяющих возможности микроскопов.
24 .
1.2. Особенности строения и функционирования оптического
микроскопа
При создании программного комплекса использующего данные' оптического микроскопа? для построения ; объёмной модели; необходимо вьщелить признаки, по которым будет производиться; анализ данных; Для анализа выходной информации (фотографий)? на предмет выявления; данных признаков, необходимо; иметь, представления- о принципах формирования фотографий, и- механизмах работы оптического микроскопа:
Єветовой;оптический микроскоп состоит из двух частей: механической-и оптической. Оптическая часть состоит из трёх основных функциональных элег ментов: визуализирующая^ часть, воспроизводящая; часть, осветительная часть
[35і49]ц;.--; : :. .-=.. \У'"-\::- ' .>;:" ' - i{ "'".'
Механическая часть микроскопа: Основным конструктивно-механическим блоком;микроскопа являются^ штатив, который^включает в себя; следующие основные части: основание и тубусодержатель (рис. 1Ш); ;
Основание штативашредставляет собой блок, на котором базируется весь, микроскоп. В' простых микроскопах на основание устанавливают осветительные зеркала или накладные осветители. В более сложных моделях осветительная система встроена в основание.
Тубусодержатель представляет собой блок, на которомзакрепляются:
узел крепления светоделительных элементов (блоков для отраженного света, блоков светофильтров люминесцентного осветителя)
узел смены объективов (револьверное устройство)
фокусировочный механизм грубой и точной настройки микроскопа на резкость
узел крепления сменных предметных столиков
узел крепления,' а также фокусировочного и центрировочного перемещения конденсора
25 узел крепления сменных насадок (визуальных, фотографических, телевизионных, различных передающих устройств)
Узел смены объективов
Узел крепления конденсора
Узел крепления
различных насадок
(фото, видео)
Кронштейн для
крепления или
стойка
Узел крепления предметного стола
Фокусировочный
механизм настройки
на резкость
Рис. 1.8. Структурная схема механической части микроскопа
Одним из точных элементов, входящих в механическую часть микроскопа, является предметный столик. Он служит для крепления препарата и фиксации его в определенном положении под микроскопом. Столики бывают неподвижные, координатные, поворотные (на ограниченный угол) и вращающиеся (центрируемые и нецентрируемые).
На стол устанавливаются препаратодержатели и препаратоводители. Препаратоводители в последнее время практически не применяются, кроме поляризационных микроскопов.
Осветительная часть предназначена для создания равномерного светового потока, который проходит через объект (проходящий свет) или отражается от него (отраженный и падающий свет), а также для обеспечения условий точной передачи цвета и формы элементов объекта в конечном увеличенном изображении. Осветительная часть включает:
источник света (лампа и система зеркал)
оптико-механическую систему, расположенную за лампой
Для микроскопов проходящего света оптико — механическая часть составляют коллектор, полевая и ирисовая диаграммы, и конденсор со встроенной апертурной ирисовой диафрагмой. В микроскопах отраженного света объектив исполняет роль конденсора, кроме того, в систему освещения входит полупрозрачное зеркало, отражающее осветительный лоток от источника света на объект и пропускающий световой поток, формирующий изображение.
Габаритный размер и увеличение осветительной системы связаны, с формой и размером лампы. К учитываемым геометрическим параметрам ламп, применяемых в микроскопах, относятся высота светового центра (точка, относительно которой строится светораспределение лампы) и размер источника света (длина светящейся части, диаметр спирали, площадь, заполненная*светящейся частью). Это же можно сказать и собственно об источнике, мощность и габаритные размеры которого влияют на параметры и габаритные размеры блока,, питания лампы. При этом следует отметить, что все эти характеристики осветительной системы влияют на габариты и дизайн самого микроскопа.
Равномерность освещенности и яркость в поле зрения микроскопа (в плоскости изображения) определяется тем, на сколько равномерно освещен объект в плоскости предмета, а так же равномерностью и полнотой заполнения плоскости выходного зрачка объектива изображением источника света.
В современных микроскопах отечественного и зарубежного производства применяются встроенные в основание микроскопа осветительные системы с галогенными, ксеноновыми или ртутными лампами. Мощность галогенных ламп 6В 20Вт, 12В 30 - 40Вт. В исследовательских и универсальных моделях лампы уже более мощные - 12В 100Вт. Основными критериями для выбора ламп обычно являются: максимальная сила света лампы; световой поток, излучаемый лампой при ее включении на номинальное напряжение; стабильность светового потока лампы; пропускаемое оптическое излучение.
Для выравнивания света в микроскопах обычно применяются светофильтры. На многие микроскопы, начиная с лабораторных моделей, устанавливается система нейтральных фильтров с различными коэффициентами свето-
27 пропускания. Это особенно важно, т. к. тенденция-развития исследовательских моделей микроскопов, связана с моторизованной настройкой, которая обеспечивает полуавтоматические и автоматические регулировки.
Коллектор. Система линз, предназначенная' для увеличения размера светящегося тела (лампы). При* встроенной осветительной системе проходящего света коллекторная часть линзы расположена вблизи источника света в основании микроскопа. Для обеспечения настройки осветительной системы коллектор может быть выполнен подвижным, это даёт возможность перемещать его вдоль оптической оси. Вблизи коллектора располагается полевая диафрагма микроскопа.
Конденсор. По своей сути-конденсор^ является светосильный короткофокусным объективом, который должен" иметь апертуру равную апертуре объектива. Оптическая система конденсора предназначена для увеличения количества света, поступающего от осветителя*(лампы) на объект. В.его состав входит несколько1 линз, основное назначение которых превратить параллельные лучи идущие от осветителя в сходящиеся.
Конденсор располагается между объектом (предметным столиком) и осветителем (источником света). В микроскопе простой конструкции конденсор может быть выполнен несъемным и неподвижным. В остальных случаях конденсор является съемной частью и при настройке освещения имеет фокусиро-вочное перемещение вдоль оптической оси и центрировочное перемещение, перпендикулярное оптической оси. При конденсоре всегда находится осветительная апертурная диафрагма, необходимая для правильного освещения препарата. Важным является аберрационный расчет конденсора, его ахроматиза-ция. От аберрационного качества конденсора зависит световой фон в плоскости предмета. В* микроскопах отраженного света проблема качества конденсора решена просто, за счет аберрационного качества объектива.
Визуализирующая часть предназначена для получения реального изображения объекта на фотопленке или пластинке, на матрице камеры или на сетчатке глаза человека. Визуализирующая часть включает следующие элементы:
визуальная насадка (монокулярная, бинокулярная или бинокулярная с фото-видеовыходом)
окуляры для наблюдения
система дополнительного увеличения
проекционные'насадки, в том числе дискуссионные для двух и-более наблюдателей
рисовальные аппараты
адаптерные (согласующие) элементы систем анализа и документирования изображения, имеющие дополнительное увеличение
Микроскоп отраженного света (например, люминесцентный) имеет аналогичные воспроизводящую и визуализирующую части, однако, осветительная система отличается. В качестве конденсора выступает объектив.
Воспроизводящая часть предназначена для создания увеличенного изображения объекта в промежуточной плоскости. Эта часть микроскопа, с учетом возможности используемой оптики, обеспечивает построение изображения, которое повторяет объект, увеличивая его с соответствующим разрешением, контрастом и цветопередачей. Воспроизводящая часть обеспечивает первый этап увеличения.
Воспроизводящая часть включает промежуточную оптическую систему и объектив. Современные микроскопы последнего поколения базируются на объективах с оптической системой скорректированной на бесконечность. В отличие от микроскопов предыдущего поколения с конечной длиной тубуса, современные имеют дополнительную линзовую систему, называемую тубусной, которая параллельные пучки света, выходящие из объектива, собирает в плоскости изображения микроскопа.
Объективы микроскопа предназначены для построения действительного микроскопического изображения-с соответствующим увеличением, разрешением элементов, точностью воспроизведения по форме и цвету объекта исследования. Объектив состоит из фронтальной и последующей частей. Фронтальная линза (или система линз) обращена к препарату и является основной при по-
строении изображения соответствующего качества,, определяет рабочее расстояние и числовую апертуру объектива. Последующая'часть в сочетании, с фронтальной линзой обеспечивает требуемое увеличение, фокусное расстояние и качество изображения, а также определяет конструкцию объектива и микроскопа в целом (высоту объектива и длину тубуса микроскопа).
Объектив является основным узлом оптического микроскопа И; во многом влияет на полноту и точность информации о поверхности исследования.. Единственным источником данных при; построении: объёмной модели поверхности^ являются фотографии, поэтому качество изображения в рамках поставленной^ задачи более значимо, чем разрешающая- способность объектива. Общий термин, используемый; для описания разницы междуидеальным? ирреальным изображением; формируемым объективом;. используется*термишаберрация: Абер-рациящолжна бытьочень незначительной;причем высшей целью должно быть получение изображения<максимальнО'Приближенного к идеальному.
ІЇЗЇ Использование глубины резкости объектива для определения высотных характеристик поверхности
Построения? 3D - модели исследуемой? поверхности ведётся, по фотографиям содержащим области, попавшие в.фокус объектива, т.е. более чёткие, чем остальной фон изображения. Для того чтобы получить полную трехмерную реконструкцию объект рассматривают как набор оптических.разрезов на данной глубине фокуса. Зная расстояния между изображениями можно построить мор-фометрическую карту глубины. Поэтому ключевым параметром при определении; высотных характеристик является резкость изображения в области фокусировки, а данный параметр зависит от фокусного расстояния и глубины резкости объектива [26, 82].
. Фокальнаяч точка это точка, в которой параллельные световые лучи от бесконечно далекого объекта сходятся'. после прохождения через объектив; Плоскость, перпендикулярная оптической оси, на которой находится; эта точка,
называется фокальной плоскостью. На этой плоскости объект виден резко, т.е. находится в фокусе.
Поскольку у всех объективов есть определенные аберрации'и астигматизм, онине могут идеально сводить лучи от точки объекта, чтобы образовать истинную точку изображения (т.е. бесконечно*малую точку-с нулевой площадью). Аберрации оптических систем - искажения' оптического изображения, даваемого точно рассчитанной- и правильно изготовленной оптической системой. Астигматизм - искажение изображения оптической системой, связанное с тем, что преломление (или. отражение) лучей в различных сечениях проходящего светового пучка неодинаково. Вследствие астигматизма изображение пред- * мета становится нерезким.
Различают следующие виды аберраций:
Геометрические аберрации. Неизбежно возникают во всякой реальной оптической* системе. В-идеале, точка должна изображаться-точкой, причём расположенной в определённом месте. Геометрические аберрации можно разделить на две группы: одни ведут к тому, что точкаизображаетсяшеболыпой размытой фигурой - к таким аберрациям относятся сферическая аберрация, кома и« астигматизм. Другие - кривизна поля изображения идисторсия - ведут к тому, что изображение точки создаётся не совсем в том месте, где нужно. В реальных системах в той или иной мере присутствуют все геометрические аберрации, что отрицательно влияет на чёткость изображения и нарушает подобие изображения и предмета.
Хроматические аберрации. Несовпадение изображений одного и того же предмета в разных цветах в пространстве изображений, а также зависимость геометрических аберраций от цвета. Вызывается тем, что показатель преломления оптических материалов, из которых изготовлены элементы оптической системы, зависит от длины волны. Проявляются* в снижении чёткости изображения, иногда в появлении на изображении цветных контуров, которые у предмета отсутствовали.
. Дифракционная* аберрация; Возникает вследствие дифракцишсвета,на: диафрагме и оправе объектива; Дифракционная аберрация ограничивает разрешающую способность' объектива? Из-за этой аберрацииг минимальное угловое расстояние между точками, разрешаемое объективом;. ограничено * величиной X/D радиан,где к.— длина волны-используемого света (к-световомудиапазону обычно относят электромагнитные волны.с длиной^ от 400шм до 700 нм), D~— диаметр объектива;
Другими словами, изображения образуются; из; комплекса точек;'; имеющих определенную площадь или размеры; Поскольку изображение становится* менее резким? по мереувеличенияфазмеровэтихточек, то эти,точки называют-круг» не резкости?(рис. 1-.9):,Такимиобразом, один?из^факторов; определяющих качество;объектива; это самая^малая точкам которую?он может образовать, или его минимальный' круг не резкости; Максимально допустимый размер точки на изображении называется допустимым^кругом не резкости [49]і
идеальная фокальная точка
объектив
допустимый круг нерезкости
Еис. 1.9. Соотношение между идеальной фокальной точкой и допустимым кругом
' не резкости и глубина резкости
Допустимый круг не резкости -самый большой круг не резкости, который все же появляется как точка в изображении. Резкость изображения; как она? ощущается человеческим глазом, тесно связана с резкостью действительного изображения и разрешающей способностью зрения человека. В фотографии
резкость изображения также зависит от степени увеличения изображения или проекционного расстояния и расстояния, с которого видится объект. Другими словами, в практической работе можно определять некоторые допуски для воспроизведения изображений, которые, хотя они и размыты до определенной степени, все же кажутся резкими наблюдателю.
Область спереди и позади находящегося в фокусе объекта, в которой изображение видно резко, это глубина резкости. То есть глубина резкости это область, где размытость изображения в плоскости наблюдения находится в пределах допустимого круга не резкости. Глубина резкости меняется в зависимости от фокусного расстояния объектива, величины апертуры и съемочного расстояния.
Разрешающая способность или допустимый круг не резкости - это возможность различить два близких по интенсивности точечных объектов. От степени разрешения зависит, насколько более мелкие детали образца можно будет
(1.1); где R -
увидеть. Разрешение определяется по формуле: R —
2ns\na
Рис 1.10. Апертурный угол объектива микроскопа
разрешение в микрометрах (Ю^м), Я - длина волны света (создаваемого осветителем), мкм, п - показатель преломления среды между образцом и объективом, а ос - половина входного угла объектива (угла между крайними лучами конического светового пучка, входящего в объектив) рис. 1.10. Величина я-sin» называется числовой апертурой и обозначается символом "А". Из приведенной формулы видно, что разрешение тем выше, чем больше "А" и чем меньше длина световой волны. Помимо разрешающей способности числовая апертура характеризует светосилу объектива: интенсивность света на единицу
площади изображения, приблизительно равна квадрату "АГ. Хороший объектив -
имеет А порядка 0,95:" ". ..'.,'... . . *
С помощью микроскопа наблюдают близко расположённые объекты, поэтому его разрешающаяся способность характеризуется: не угловым? а линейным расстоянием между двумя? близкими-точками,, которые: еще могут восприниматься раздельно. Наблюдаемый объект располагается-вблизи переднего фокуса объектива. Часто пространство'перед объективом-заполняется?специальной; прозрачной^ жидкостью - иммерсией (рис; Г. 10): Віплоскости, геометрически? сопряженной; объекту, располагается его увеличенное изображение,, которое ; рассматривается глазом через;окуляр. Изображение каждой-точки оказыва-етсяфазмытымвследствие дифракции света:.
J \-У*.хороших микроскопов апертурный угол ocs; близок Kvсвоему пределу: . сх '~ и IX. Как. видно из; формулы; (1.1), применение иммерсии несколько улучшает предел; разрешения:- Полагая^ для оценок_ simci- V, ш~ Ё5;: получим: R= 0:4- Я./Бакимюбразом,;. с. помощьюи микроскопа; принципиально невозможно рассмотреть какие - либо детали; размер которых значительно меньше длины^ световой волны: Волновые свойства света определяют предел качества изо-бражения объекта,,полученного с помощью любой)оптической системы^
Фокусировку изображения проводят путём относительного перемещения объекта и объектива. Наибольшее допустимое перемещение объектива, не приводящее к ухудшению качества изображения; определяется глубиной резкости Т - пространством предмета; протяжённым по глубине, в котором детали наблюдаются с одинаковой резкостью: Если Т выразить в мм., то
^ 250 250 є п-к
T=w+^w+^\ (1-2>
здесь ~ 2 - минимальное угловое разрешение глаза, W— полезное уве- ' личение, А- — числовая1 апертура: Из формулы 1.2 видно; что глубина резкости: тем меньше,, чем больше;числовая; апертурами увеличение микроскопа..Например, для; белого света Т- 54мкм..приЛ— 0:17, N = 90; и 27 = 0:6 мкм: пршА = 1.25, TV = 1080, то есть при увеличении порядка 1000 и хорошей числовой
34 апертуре объектива, можно восстанавливать рельеф с точностью до 1 ~ 0.5 мкм [49].
Теоретические данные (1.2) показывают, что метод реконструкции модели поверхности по набору фотографий несущих информацию о глубине резко изображаемого пространства, можно применять для высот порядка микрометра. Метод реконструкции используется не только для микро поверхностей, но и для объектов макро мира. Разрешающая способность метода зависит от размеров глубины резкости, и увеличиваться с уменьшением увеличения объектов. Точность реконструированной объёмной модели будет определяться аберрациями и астигматизмом, то есть погрешностями оптических приборов (микроскоп, фотоаппарат). Для оптической системы микроскоп - Leica DM IRM и фотоаппарата Olympus точность определения высотных характеристик исследуемых объектов была определена в ходе серии экспериментов описанных ниже.
1.4. Эмпирическая оценка точности определения высоты оптической системы
Цель проведённых экспериментов в определении погрешности измерения высоты и калибровки оптической системы. Для реализации поставленной цели были сопоставлены результаты измерения высоты микрообъектов, используя оптическую систему, с реальными размерами высоты микро поверхности.
За единицу измерения высоты для
оптического микроскопа был принят угол
поворота привода настройки фокуса (рис. 1.11).
Для экспериментов использовался микроскоп
Leica DMIRM оснащённый точной и грубой
настройкой фокуса и совмещённый с
компьютерной системой визуализации
изображений исследуемых объектов. Шкала
делений привода настройки имеет сто единиц, и Рис 1и Привод настройки
каждое деление соответствует 3,6 градусам угла фокуса 1 Грубая настройка,
2 Тонкая настройка
'-. : '.' . '"".' .' 35; ''' ' :'.'''' '.' .
поворота; Для дальнейших расчётов и анализа была'проведена^калибровка микроскопа;, в результате которой была установлена* связь между углом; поворота -привода настройїш фокусаиівьісотой исследуемьгх образцовв'микрометрах..
, Выходе:анализа^ точности высотных измерений; были решеньг следующие
задачи: . /__[ /' ',:> .:.,.
; Калибровка^ микроскопа, используя образцы с.известной шероховато
стью поверхности. ...
Расчёт погрешности измерения^ высотных характеристик образца, оптическим микроскопом для пяти увеличений; (х50;х 100,- х200, х500; хЮОО);
Сравнение измерений* m погрешностей' высоты шероховатости поверх-ности одного.образцанаразных увеличениях.. ,
Отклонение результаташзмерения от истинного значенияшзмеряемой величины является погрешностью* измерения; Абсолютная?! погрешность- измерительного прибора - разность между показанием, прибора т действительным-значением измеряемой? величины: Апр. — Хп: — Хд^ где Хп. — величина измеренная прибором^ Хд. - действительная величина. Относительная погрешность измерительного прибора - отношение абсолютной погрешности прибора к действительному или измеренному значению величины, выраженное в процентах:
8п ={*Щ»о1(Ю% «(^>х 100% да)
пр- Хді Хп.
Значение относительной погрешности зависит от значения измеряемой величины, при постоянной величине Апр. она возрастает с уменьшением? Хп. Поэтому максимальная; точность измерений' обеспечивается, когда показание . прибора находится* во; второй» половине диапазона; измерений:. Диапазон? измерений,- область, значений измеряемой^величины, длягкоторой нормированы допускаемые погрешности прибора: Допускаемой погрешностью считается по-
'..'. ' ' ' 36 . ;. v"--'. V.': ;'
грешность прибора;, при которой* он может быть признан. годным и допущен к
применению [9,45]. ..' .. '
Для-сравнительной оценки точности измерительных устройств пользуются понятием приведенной погрешности прибора, под которым понимают отношение абсолютной погрешности прибора к нормирующему значению шкалы выраженное в процентах:
КР. = (^)xlOQ% ,
(К4).
В качестве XN чаще всего используют конечное значение диапазона измерений. Погрешность, свойственная измерительному прибору при' его эксплуатации^ в нормальных условиях, называется: основной погрешностью: Для большинства средств измерений нормальными условиями- эксплуатации:. считаются следующие: температура окружающей» среды 20±5 (3, относительная влажность 65±15%, напряжение питания 220 В±10% с частотой 50±1; Рц. При; отклонении условий і эксплуатации от нормальных, появляются дополнительные погрешности: ,
Таблица 1.1.
Эталонные значения^ шероховатости
поверхности
измеренные на профилографе -
профилометре
Для, калибровки микроскопа и расчета погрешности были использованы шесть образцов с различной шероховатостью поверхности. В качестве эталонных (действительных) значений высоты принимались значения наибольшей высоты профиля эталонных образцов
и образцов, измеренных профилогра-фом - профилометром (см. табл. 1.1). Данные измерения высоты образцов, на всём возможном диапазоне увеличений используя оптический микроскоп Leica DMIRM^ приведены в табл. 1.2.
Для решениям задачи;, нахождения погрешности измерения высоты методом фокусировки используются данные полученные экспериментально.
Поэтому имеется небольшой процент погрешности измерения- высоты, которым в данных-условиях можно пренебречь. Как видно из рис. 1.12 для; объекта ис-следованияшожно выделить резкую и размытую область,:следовательно; метод фокусировки- может быть, использован для» нахождения высотных характеристик образца. На рисунке представлен- переход высоты равный 2,09мкм., при-этом чётко прослеживаются у частки резко изображаемой поверхности образца,. что подтверждает теоретические расчёты определения высоты в пределах микрометра:
Таблица 112.. Исходные данные измерения!шероховатости поверхности оптической» системой
Для некоторых образцов, невозможно получить данные (см. табл: 1.2).
Это связано с тем, что для образцов, с большим перепадом высоты поверхности
не хватает фокусного расстояния при больших увеличениях или, невозможно
произвести измерение, так как для^ образцов с маленьким перепадом высоты
поверхности изображение полностью резкое при маленьких увеличениях.
Таблица 1.3:
Используя исходные данные, произведем калибровку микроскопа по формуле H/F, где Н - средняя глубина шероховатости конкретного образца, F -ед. шкалы деления привода настройки фокуса (см. табл. 1.2). Результаты калибровки представлены в табл. 1.3. Проанализировав полученные данные можно сделать вывод, что одно деление ручки микроскопа соответствует ~ 2 мкм., также отметим, что значения различны для разных увеличений и линейно растут в сторону роста увеличения.
Процент колебания значений для конкретного увеличения показывает, как сильно значение калибровки образца отличается от среднего значения калибровки. В последнем столбце табл. 1.3. был найден'максимальный процент
колебаний по модулю для заданного увеличения.
Таблица 1.4. Погрешности измерений методом фокусировки
Анализ колебаний значений калибровки показывает, что процент колебаний (см. табл. 1.3) снижается при большем увеличении, исходя из этого, можно сделать вывод, что более точными будут данные, полученные при больших увеличениях.
Используя формулы (1.3), (1.4) рассчитаем абсолютную, относительную и приведённую погрешность измерения высоты методом фокусировки. Так как значения калибровки различны для разных увеличений, то и погрешности рассчитаем для каждого увеличения в отдельности. При пятидесяти кратном увеличении все погрешности стремятся к нулю, так как при этом увеличении удалось измерить только один образец и изображение полностью резкое (см. табл. 1.2), поэтому при анализе погрешностей это увеличение и не рассматривается. Результаты расчётов приведены в табл. 1.4.
Пространство изображаемое размыто
Резко изображаемое пространство Рис. 1.12. Эталонный образец Rmax - 2,09 мкм., хЮОО
Анализ погрешности измерений методом фокусировки показывает, что данный метод применим для нахождения высоты, исследуемого образца с большой точностью (99;4% для увеличений в 500 и 1000 крат и образцов высотой не менее 10 мкм.).
Так же данные табл. 1.4 показывают, что для-разных образцов при-близких значениях абсолютных погрешностей относительная погрешность больше, для образца* с большей- высотой. Поэтому измерять образцы, большой высоты можно при более мелком увеличении без потери точности измерений.
Из табл. 1.2,1.3,1.4 видно, что образцы были исследованы не на всех-увеличениях, это объясняется двумя причинами: порогом чувствительности микроскопа (изображение полностью находится-на глубине резкости и нельзя вы-делить размытые участки), глубиной фокуса (для-больших увеличений маленькое фокусное расстояние). Используя два этих фактора, определим пределы измерения высоты. Нижний порог чувствительности определён для увеличения 1000 крат и составляет 0;9 - 1,6 мкм. На рисунке 1.12, можно убедится; что дляк образцам высотой 2,09 мкм. наблюдаются чёткие и размытые участки. Верхний порог чувствительности, определён для» увеличения 50 крат и составляет 1,5-2 см.
Полученные в ходе исследования данные позволяют утверждать, что метод определения высоты поверхности по фокусу полностью подтверждает теоретические расчёты (1.2) определения предела измерений и размеров глубины резко изображаемого пространства. Он является достаточно точным для применения на практике и может использоваться для измерения высотных параметров исследуемых поверхностей, что в свою очередь делает возможным построения объёмных моделей рассматриваемых поверхностей с использованием специальных программных комплексов.
1.5. Выводы по главе. Цели и задачи диссертационной работы
Проведённый анализ микроскопии показал, что данное научное направление интенсивно развивается, появляются новые устройства и методы изуче-
.\'"-.. :'' ;_.' ' '.'.--.' .,- 4i ' '.;; - ' ." _ ' :;:,.-.. [ .-Л - ния микромира. Обзор микроскопов показывает, что общая тенденция развития* микроскопии направлена на визуализацию объектов исследования, представления^ их в виде объёмных моделей; Є развитием, вычислительной^ техники появляется всё" больше возможностей? обрабатывать и представлять информацию; полученную существующими: техническими^ средствами, в; ином- виде; Разработка новых методов использующих вычислительную технику, для обработки; больших объёмов информации; позволит расширить возможности микроскопов: Актуальность разработки метода-. построения* объёмных, моделей- микрообъек-тов;. заключается в расширении возможностей иі функционала существующих; оптических микроскопов.
Проведённый теоретический; и эмпирический анализ .оптических микроскопов, показал, что данные* устройствам могут применяться і дляї измерения (высотных характеристикчобъектов: Иричёмгс большой точностью (порядка 99^4%)> и разрешающей?способностью?(порядка:Іїмкм:);
Целью диссертационной- работы является; разработка: новых моделей; и; методов объёмной реконструкции;исследуемой поверхности при компьютерной-микроскопии. Разработанные модели* должны отличаться высокой точностью^ надёжностью, работы, а так - же обладать большой* гибкостью с целью их настройки при обработке разнородных изображений. Данный метод позволит воссоздать объёмную модель исследуемого объекта, что значительно расширит возможности относительно не дорогой оптической микроскопии по сравнению со сканирующими микроскопами;
Для реализации указанной цели в работе решались следующие задачи:
1'. Определить возможности оптической системы по определению высоты на примере компьютеризированного комплекса Iieica DM IRM и зависимости точности измерений от увеличения; микроскопа на основании- теоретическихи, эмпирических-исследований;.,-.
2. Разработка; математического метода: определения области резко изображаемого пространства на фотографии: Результатом .этого метода, будет модуль, повышающий резкость результирующей фотографии в процессе анализа
42 набора исходных изображений. То есть выделение областей резкости на наборе фотографий и объединении их в одну.
Разработка алгоритма построения морфометрической карты высоты исследуемой поверхности. Исходными данными для этой задачи будут: геометрические характеристики (длинна и ширина) поверхности, полученные в ходе анализа области резкости фотографий; высотные характеристики поверхности, т.е разница положения объектива микроскопа при фотографировании.
Анализ точности построения объёмной модели поверхности, на основе полноты информации содержащейся в наборе снимков.
Анализ фильтров компенсации шумов, выбор наиболее оптимального фильтра снижения зашумлённости восстанавливаемой объёмной модели.
Обоснование выбора, стандартных форматов представления данных 3D - моделей STEP и STL для сохранения моделируемой поверхности объекта исследования, а так же описание этих форматов.
Создание программного комплекса формирования объёмных моделей поверхности микрообъектов, по набору фотографий сделанных при разной высоте объектива и модуля восстановления резкости по множеству снимков с различной резкостью изображаемого пространства.
Проверка эффективности работы программного комплекса при решении тестовых и практических задач.
