Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор научно-технической литературы по методам и средствам контроля оптических свойств слабомутных сред 10
1.1. Классификация оптических методов и средств контроля слабомутных сред 10
1.2. Анализ методов и средств контроля оптических свойств слабомутных сред и задачи диссертационных исследований 17
ВЫВОДЫ 19
ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования изменения контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов от оптической плотности среды 21
2.1 Описание программно-аппаратного комплекса для исследования изменения контраста от оптической плотности среды 21
2.2 Выбор геометрических размеров тест-объекта и оценка погрешности при его изготовлении 25
2.3 Расчет погрешности контроля показателя ослабления, вызванной формой сосуда 29
2.4 Погрешность контроля показателя ослабления, вызванная изменением внешней освещенности 31
2.5 Погрешность контроля показателя ослабления, вызванная шумом многоэлементного фотоприемника видеокамеры 34
2.6 Погрешность контроля показателя ослабления вносимая погрешностью эталонного прибора и общая погрешность 34
2.7 Выбор слабо мутных сред для экспериментальных исследований 36
2.8 Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности микроорганизмов в жидкой питательной среде 38
2.9 Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности раствора марганца 40
2.10 Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности раствора молока 42
ВЫВОДЫ 44
ГЛАВА 3. Разработка метода контроля показателя ослабления слабомутных сред по изменению контраста в изображении тест-объекта 46
3.1. Разработка математической модели зависимости показателя ослабления от контраста в изображении тест-объекта 46
3.2 Метод определения зависимости значения импульса между двух штрихов от параметра М . 50
Выводы 56
ГЛАВА 4. Реализация методик и средств контроля жидких и газообразных сред по показателю ослабления 57
4.1 Описание программно-аппаратного комплекса 57
4.2 Методика контроля концентрации клеток ткани 64
4.3 Методика контроля концентрации раствора марганца 72
4.4 Методика контроля производительности ингалятора ультразвукового типа «Муссон» 72
Выводы 78
Заключение 79
Список литературы
- Анализ методов и средств контроля оптических свойств слабомутных сред и задачи диссертационных исследований
- Выбор геометрических размеров тест-объекта и оценка погрешности при его изготовлении
- Погрешность контроля показателя ослабления, вызванная шумом многоэлементного фотоприемника видеокамеры
- Метод определения зависимости значения импульса между двух штрихов от параметра М
Введение к работе
Контроль мутных сред относятся к числу важнейших задач, стоящих в медицине, микробиологии, химии, промышленности и т. д. По оптическим характеристикам мутных сред определяют концентрацию, состав, форму веществ, находящихся в среде. В связи с бурным развитием микробиологии, химии, генной инженерии появились новые требования к контролю мутных сред. Так, если раньше в микробиологии требовалось определение морфологии микроорганизмов, то теперь на первый план выходит задача определения влияния различных факторов на изменение популяции микроорганизмов, что влияет на рассеивающие и поглощающие свойства среды. Известные средства контроля мутной среды не отвечают современным требованиям. Так, например, известно, что колориметрическим методом контролируют показатель поглощения. Однако с высокой точностью контроль показателя поглощения выполняется только тогда, когда среда - слаборассеивающая. С ростом рассеяния света возрастает погрешность контроля этого показателя. Аналогичный недостаток присутствует и в нефелометрическом методе. Нефелометры используют для контроля рассеивающих свойств.
Обобщенной оптической характеристикой среды является показатель ослабления. Чтобы осуществить контроль показателя ослабления необходимо одновременно применить колориметр и нефелометр, либо прибор, основанный на механическом сканировании. Однако одновременное применение нефелометра и колориметра — задача трудоемкая и дорогостоящая, а применение прибора, основанного на методе механического сканирования, значительно снижает производительность контроля.
Известен метод контроля показателя ослабления среды, который получил название «метод типографского шрифта». В этом методе оператор визуально определяет показатель ослабления по изменению контраста в
определенном наборе букв. Однако визуальная реализация этого метода не позволяет выполнить высокопроизводительный и высокоточный контроль показателя ослабления.
В настоящее время технические и вычислительные средства позволяют разработать метод контроля показателя ослабления, который значительно превысит возможности метода типографского шрифта.
Целью работы является разработка метода и средств контроля показателя ослабления слабомутных сред по изменению контраста в изображении тест-объекта с помощью видеокамеры на основе многоэлементного фотоприемника.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать экспериментальную установку, включающую в себя тест-объект, видеокамеру, персональный компьютер и специализированное программное обеспечение;
провести экспериментальные исследования зависимости контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности различных слабомутных сред с применением стандартного колориметра фотоэлектрического КФК-2МП, как эталонного прибора;
разработать математическую модель зависимости контраста в изображении тест-объекта от показателя ослабления;
разработать методики контроля показателя ослабления по изменению контраста в изображении тест-объекта для различных слабомутных сред и внедрить в НИИ и на производстве.
Научная новизна работы:
- разработана математическая модель зависимости между значением контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов с коэффициентом заполнения равным 0,5 и показателем ослабления среды;
-7-- разработан метод контроля показателя ослабления, отличающийся от
субъективного метода типографского шрифта научно установленной
количественной зависимостью между значением контраста в изображении
тест-объекта и показателем ослабления.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод позволяет выполнять высокопроизводительный и высокоточный контроль показателя ослабления среды. Результаты диссертационной работы могут быть положены в основу контроля не только жидких сред, но и аэродисперсных систем. Метод измерения и контроля показателя ослабления используется в учебном процессе Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова для студентов специальности 19.09.00 «Информационно-измерительная техника и технологии».
Реализация и внедрение результатов исследований. Методики и программа, разработанные в диссертационной работе, были внедрены в Государственном унитарном научном центре клинической и экспериментальной медицины СО РАМН в г. Новосибирске, ОАО «Барнаульский геофизический завод» и на Алтайском приборостроительном заводе «Ротор».
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной
работы докладывались и обсуждались на:
международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация», Барнаул, 2002г., 2003г., 2004г.; всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин», Нижний Новгород, 2004г.;
- всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Наука и молодежь», Барнаул, 2004г.;
- международном конгрессе «Биоинформатика. Биоинформационные и биоэнергоинформационные технологии», Барнаул, 2001г., 2002г., 2003г.
Публикации. Основное содержание работы изложено в одиннадцати публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, изложена на 120 листах, содержит 13 рисунков, 10 таблиц и списка литературы из 89 наименований.
Анализ методов и средств контроля оптических свойств слабомутных сред и задачи диссертационных исследований
Колориметрическим методом измеряют показатель поглощения. С высокой точностью контроль показателя поглощения выполняется только тогда, когда среда слаборассеивающая. С ростом рассеяния света возрастает погрешность контроля этого показателя. Нефелометры с высокой точностью контролируют показатель рассеяния только сильнорассеивающих сред. Для слаборассеивающих сред погрешность контроля увеличивается. Контроль перехода среды из слаборассеивающей к сильнорассеивающей требует применения одновременно двух методов. Однако, применение нефелометра и колориметра одновременно - задача трудоемкая.
Дополнительными недостатками, присущими наиболее развитым методам (колориметрический, спектрофотометрический, нефелометрический, турбидиметрический), является невозможность определять и контролировать коэффициент ослабления исследуемой среды на расстояниях больших, чем 20 см.
Обобщенной характеристикой является показатель ослабления. Метод типографского шрифта способен реализовать контроль слабомутных и мутных сред. Подобный метод имеет потенциальную возможность контроля показателя ослабления. Однако, низкая скорость контроля и высокая погрешность контроля не позволяют использовать эту возможность.
Необходимо отметить, что в колориметрическом и нефелометрическом методах используется параллельный пучок света для освещения исследуемой среды. Параллельный пучок света является эквивалентом тест-объекта в виде бесконечно удаленной точки. В методе типографского шрифта используется тест-объект в виде амплитудного растра. За счет использования амплитудного растра появляются новые возможности. В изображении амплитудного растра содержится больше информации, чем в изображении бесконечно удаленной точки. В частности, изменение значения контраста. В методе типографского шрифта фактически о показателе ослабления судят по контрасту изображения букв.
В настоящее время в достаточной степени разработан математический аппарат и технические средства для измерения и контроля контраста в изображении тест-объекта [50]. По контрасту изображения судят о качестве оптико-электронного прибора (ОЭП).
Контраст изменяется за счет аппаратной функции. Аппаратная функция тождественна функции рассеяния для слабомутной среды. При переходе слаборассеивающей среды в сильнорассеивающую изменяется функция рассеяния, а значит, изменяется контраст в изображении. Для анализа контраста в изображении используются развертывающие фотоприемники [2, 31].
Таким образом, используя амплитудный растр, видеокамеру с многоэлементным фотоприемником, новейшие вычислительные средства и известный математический аппарат, можно будет по изменению контраста судить об изменении оптических свойств мутной среды.
Целью диссертационной работы является разработка методов и средств контроля показателя ослабления слабомутных сред по изменению контраста в изображении тест-объекта с помощью видеокамеры на основе ПЗС-фото приемника.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: - разработать экспериментальную установку, включающую в себя тест-объект, видеокамеру, персональный компьютер и специализированное программное обеспечение; - провести экспериментальные исследования зависимости контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности различных слабомутных сред с применением стандартного колориметра фотоэлектрического КФК-2МП; - разработать математическую модель зависимости контраста в изображении тест-объекта от показателя ослабления; - разработать методики контроля показателя ослабления по изменению контраста в изображении тест-объекта для различных слабомутных сред и внедрить в НИИ и на производстве. ВЫВОДЫ
На основе анализа литературы получен результат, который сводится к следующим утверждениям.
1. Все методы контроля оптических свойств среды можно классифицировать по типу показателя: поглощения, рассеяния, ослабления;
2. Проведенный анализ методов контроля оптических свойств среды показал, что в колориметрическом методе, измеряющем поглощение света средой (а), неизбежно появляется погрешность, связанная с рассеянием света (г). В нефелометрическом методе, измеряющем рассеяние света г средой, появляется погрешность, возникающая за счет поглощения света а.
Выбор геометрических размеров тест-объекта и оценка погрешности при его изготовлении
Размеры тест-объекта и его изготовление влияют на изменение сигнала в его изображении, что и обуславливает погрешность контроля показателя ослабления.
Поскольку панкратический объектив может создавать различное увеличение на фотоприемнике, то выбор размера штриха тест-объекта необходимо соотнести с диапазоном и точностью контроля оптических характеристик среды. На рис. 2.3. приведен график изменения зависимости контраста К от оптической плотности D при ширине штриха а равной 1 мм, мм, 4 мм. Эксперименты показали, что при ширине штриха больше 2 мм сигнал в его изображении изменяется слабо при изменении оптических характеристик среды. Коэффициент корреляции г составляет 0,81. При ширине штриха менее 2 мм происходит значительное изменение сигнала от изменения оптических свойств, т. е. возрастает чувствительность. Однако с увеличением чувствительности возрастает уровень шума, и значительно уменьшается диапазон контроля в области линейного участка изменения контраста. Коэффициент корреляции г составляет 0,92. При ширине штриха равной 2 мм коэффициент корреляции г составляет 0,97. Погрешность контроля показателя ослабления, вызванная изготовлением тест-объекта, возникает за счет дискретизации рисунка. Изображение тест-объекта в программе MS Paint строится по пикселям и имеет дискретную величину, поэтому размеры в сантиметрах необходимо перевести в размеры в пикселях. Абсолютная погрешность такого преобразования равна половине размера одного пикселя и составляет: Рх 0,042лш су л\ Ах-— = = 0,021дш, {2 А) 2 2 где Рх - размер пикселя.
Рассмотрим изменения параметра Ми коэффициента заполнения К3 от изменения ширины штриха а = 2 мм. Согласно расчетным данным (2.4) ширина штриха имеет погрешность Ах = 0,021мм. Используя обозначения формулы (2.1), получим:
Таким образом, измененный размер штриха «а» при изготовлении тест-объекта не приведет к существенному изменению сигнала в изображении тест-объекта. Поэтому тест-объект, обладающий размерами а = 2 мм, и К3 = 0,5, является оптимальным по критериям линейного изменения контраста в максимальном диапазоне контроля и минимальной систематической погрешности контроля показателя ослабления.
Пробирку можно рассматривать как двояковыпуклую линзу с радиусом R. Для данной линзы характерно наличие большой сферической аберрации. Известно, что радиус кружка рассеяния при сферической аберрации рассчитывается по формуле [2]: (у/) т=4 4А, (2.П) где - выделяемая зона контроля в изображении тест-объекта;/- фокусное расстояние пробирки как сферической линзы. Фокусное расстояние рассчитывается по формуле [2]: / = 1V (2Л2) 2(»-1) где п - показатель преломления исследуемой среды.
Применяя пробирки лабораторные радиусом R = 5-10" м, согласно [13, 18] показатель преломления будет составлять п = 1,52. Тогда фокусное расстояние / = 14,1-Ю"3 м. Таким образом, выбирая выделяемую зону контроля у равной удвоенному значению радиуса пробирки R, получим радиус кружка равным ст— 2,52-10 3 м. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля световую картину, создаваемую тест-объектом, можно рассматривать как множество отдельных источников света.
Так как темный цвет штриха тест-объекта хорошо поглощает свет и мало отражает, то диапазон изменения 1т невелик (не более 10% от максимального значения). Поэтому основное влияние на изменение контраста вносит интенсивность 1с. Таким образом, контраст зависит от первичного источника света или от общей освещенности. Следовательно, изменение общей освещенности может привести к появлению дополнительной погрешности.
При соблюдении нормальных условий эту погрешность можно считать систематической. Тогда ее можно устранить с помощью калибровки.
Погрешность контроля показателя ослабления, вызванная шумом многоэлементного фотоприемника видеокамеры
Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности раствора марганца
Эксперимент проводился следующим образом [77, 80]: На рабочем столе устанавливали штатив с видеокамерой. Рядом со штативом устанавливали осветитель. На расстоянии 1,1 м от штатива устанавливали штатив для пробирок с исследуемым раствором. Позади штатива для пробирок устанавливали тест-объект в виде двухштрихового растра. Видеокамеру устанавливали таким образом, чтобы все три пробирки с исследуемым раствором находились в поле зрения объектива видеокамеры. Для каждой из 24 пробирок с раствором марганца с различной концентрацией проводили фиксацию изображения с помощью видеокамеры. Одновременно проводили измерение оптической плотности раствора с помощью колориметра КФК-2МП. После проведения эксперимента полученные данные переносили в компьютер с помощью платы TVuner. По формулам (2.30) - (2.36) определяли коэффициент корреляции и параметры для уравнения линии регрессии К = ак -D + bK. Выходная таблица и значения контраста представлены в приложении 4. Расчет корреляционного и регрессионного анализа представлен в приложении 5.
Коэффициент корреляции составляет 0,971 для 24 пар значений контраста и оптической плотности.
В результате регрессионного анализа получена линейная зависимость логарифма контраста изображения от оптической плотности: -LgK = 0,661 D + 0, 394 . (2.38) Тангенс угла наклона регрессионной линии составляет 0,661. Погрешность результата измерения составляет 0,56%.
Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности молока Эксперимент проводился следующим образом:
На рабочем месте устанавливали штатив с видеокамерой. Рядом со штативом устанавливали осветитель. На расстоянии 1,1 м от штатива помещали штатив для пробирок с исследуемым раствором. Позади пробирок устанавливали тест-объект в виде двухштрихового растра. Видеокамеру устанавливали таким образом, чтобы все три пробирки с исследуемым раствором находились в поле зрения объектива видеокамеры. Для каждой из 23 пробирок с раствором молока с различной концентрацией проводили фиксацию изображения с помощью видеокамеры. Одновременно проводили измерение оптической плотности молока с помощью колориметра КФК-2МП. После проведения эксперимента полученные данные переносились в компьютер с помощью платы TVuner. По формулам (2.30) - (2.36) определяли коэффициент корреляции и параметры для уравнения линии регрессии K-aK-D + bK. Выходная таблица и значения контраста представлены в приложении 6. Расчет корреляционного и регрессионного анализа представлен в приложении 7.
Коэффициент корреляции составляет 0,88 для 23 пар значений контраста и оптической плотности.
В результате регрессионного анализа получена линейная зависимость логарифма контраста изображения от оптической плотности:
Графики зависимости логарифмов контраста суспензии бактерий -LgK6aKTepHH(D), раствора марганца - LgKMapraHeu,(D), молока -Ь Кмолокоф) от оптической плотности D Таким образом, у веществ с сильно выраженными рассеивающими свойствами тангенс угла наклона регрессионной линии больше, чем у веществ с выраженными поглощающими свойствами. Высокий коэффициент корреляции подтверждает линейную зависимость между логарифмом контраста и каждой из исследуемых сред. Погрешность контроля показателя ослабления не должна превышать 1,629 %.
Метод определения зависимости значения импульса между двух штрихов от параметра М
Область входного изображения
В этой области изображается содержимое анализируемого файла. Также эта область предназначена для построения линии, по которой будет производиться анализ изображения (линия анализа). В верхней части области расположено полное название анализируемого файла изображения.
Область выходного изображения
Данная область предназначена для построения графика изменения амплитуды сигнала по линии анализа. График позволяет визуально оценить контраст изображения. В верхней части области расположено полное название файла, содержащего график изменения амплитуды сигнала. Ниже расположено название текстового файла, содержащего значения амплитуды сигналов.
Область построения линии анализа
Для построения линии анализа можно указать мышкой во входном изображении начальную и конечную точку линии. В области построения линии анализа указываются начальные и конечные координаты линии, а ,i также уравнение этой линии. При необходимости координаты линии можно отредактировать, меняя значения начальных и конечных координат линии, а также меняя уравнение. Строка состояния В строке состояния отображаются координаты и цвет точки исходного изображения, на которой находится указатель мыши. Область управления анализом
Данная область содержит элементы управления анализом ряда исходных изображений. Область представляет собой ряд кнопок, слева от них распложена группа переключателей и строка процесса выполнения.
Кнопка «Шаг» предназначена для переключения исходных изображений из списка исследуемых файлов. Кнопка «Анализ» предназначена для исследования по линии анализа амплитуды сигналов. После нажатия этой кнопки в области выходного изображения появляется график распределения амплитуды сигнала по линии анализа. Кнопка «Записать» предназначена для записи значений амплитуды сигналов линии анализа в текстовый файл с таким же именем, как и у входного изображения. Кнопка «Очистить» предназначена для очистки области выходного изображения. Группа переключателей указывает, на каком шаге остановился анализ одного изображения.
Процесс выполнения визуально отражает количество обработанных изображений по отношению ко всему списку всех зафиксированных изображений. Меню «Сервис» - это пункт меню, обеспечивающий работу основных компонентов в программе Пункт меню «Установки» обеспечивает вызов формы, позволяющей производить те или иные установки, например, количество линий, по которым будет обрабатываться изображение. Пункт меню «База данных» дает возможность вносить, редактировать и удалять записи базы данных с эталонными значениями показателя ослабления. «Отчет» - это пункт меню, обеспечивающий вывод результирующего файла отчета по всем исходным изображениям. Строка «Наименование эксперимента» предназначена для ввода наименования и номера эксперимента. Строка «Фильтр» предназначена для ввода критерия отбора в последующих экспериментах.
Строка «Шапка» предназначена для ввода заголовка отчета программы. Группа элементов «Папка с исходными файлами» предназначена для выбора каталога, где содержатся исследуемые файлы. Список «Файлы, подлежащие исследованию» предназначен для ввода из группы элементов «Папка с исходными файлами» исследуемых файлов. Файлы записываются с помощью кнопки «Записать» и удаляются с помощью кнопки «Очистить».
Кнопка и строка «Имя текстового файла» предназначены для ввода и редактирования имени файла, в который записываются все значения амплитуд по выбранным линиям анализа всех выбранных исследуемых изображений. Кнопка позволяет задавать или выбрать необходимый файл в любом месте вашего информационного пространства. По умолчанию значения записываются в текстовый файл «Simple.txt» в каталоге, где находятся исследуемые файлы.
Кнопка «Дополнительно» позволяет задавать дополнительные установки, такие как количество линий анализа (позволяет повысить точность измерения за счет проведения нескольких измерений), по умолчанию установлена одна линия, тип миры (позволяет выбрать необходимый тест-объект), метода исследования (с помощью базы данных или формулы) и т, д.
