Содержание к диссертации
Введение
ОПТИЧЕСКАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ Состояние и перспективы (обзор литературы)
МЕТОД ОПТИКО-СТРУКТУРНОЙ ДИФРАКЦИОННОГО АНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ
2.1. Вероятностные свойства изображений и модель квазипериодической структуры
2.2.Решение задачи дифракции на отверстиях круглой формы в экране
2.3.Математическая модель двумерного изображения упорядоченных структур
2.4.Физическое моделирование квазипериодических структур и интерпретация оптических дифракционных спектров
2.5.Определение размеров и количества микрообъектов по ДДС
ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕМИЗАЦИЯ МЕТОДА ОСДА
Разработка автоматизированной системы дифракционного анализа изображений
3.1. Система ЛАД - УВК
3.I.I.Устройство формирования спектра
3.1.2.Устройство преобразования спектра
3.1.3.Устройство связи и управления
3.2.Фурье-микро скоп "Протва-Д"
3.2.1.Методика и расчет мощности излучения лазера Фурье-микроскопа при заданном
отношении "сигнал-шум" 3.3.Программное обеспечение АСДА
3.4.Погрешности дифракционных систем стр, 4
ОСДА В ПРАКТИКЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
4.І. Исследование текстурных изображений 145
4.2.Оптическая дифрактометрия изображений биологических структур 163
4.3.Исследование разделенных микрообъектов по их оптическим ДЦС 173
4.4.Анализ аэрокосмической видеоинформации 177
4.5.Пространственная реконструкция трёхмерных структур 188
Выводы 195
Список литературы 198
Приложение 213
- ОПТИЧЕСКАЯ ДИФРАКТОМЕТРИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ Состояние и перспективы (обзор литературы)
- Вероятностные свойства изображений и модель квазипериодической структуры
- Система ЛАД - УВК
- Исследование текстурных изображений
Введение к работе
Актуальность
Потребности дальнейшего развития науки и практики диктуют необ ходимость расширения и усиления работ по созданию новых методов и аппаратуры автоматического машинного анализа микро - и макрострук - тур.Б Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981-85 годы и на период до 1990 года предусматривается ; "Поднять техническую вооруженность труда;всемерно внедрять комплекс ную механизацию и автоматизацию производственных процессов
Расширять автоматизацию научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники".
Повышение эффективности научных исследований, сокращение сроков их проведения, ускорение внедрения результатов в народное хозяйство, в значительной мере определяется развитием проборных средств и систем автоматизации научных экспериментов, реализующих современные методики исследований. Оцним из таких методов, призванных расширить число решаемых задач и объем полезной информации, является метод оптико-структурного машинного анализа (ОСМА), предложенный К.М.Богдановым (1965), который реализуется соответственно в сканирующем и дифракционном вариантах[14 ].
Сканирующий вариант ОСМА получил значительное развитие и нашел широкое применение во многих задачах, имеющих народнохозяйственное значение [ 90 ] . Дифракционный вариант ОСМА, развитию которого посвящена данная работа, получил существенно меньшее развитие, что не соответствует его значительным возможностям, поскольку эти два направления не исключают, а дополняют друг друга. При этом дифракционные системы относительно сканирующих обладают рядом преимуществ: параллельная обработка, т.е. проведение исследований не последовательно участок за участком, а одновременно по всей площади; удобство выявления и количественной оценки степени упорядоченности, формы элементов и анизотропии структуры в целом; экспресс-анализ размеров и концентрации микрообъектов, в том числе при перемещении частиц в потоке жидкости или газа; отсутствие жестких требований к контрастности объекта относительно фона, возможность анализа соприкасающихся частиц произвольной формы.
Это определяет эффективность применения двумерного дифракционного анализа для решения большого числа научных и народнохозяйственных задач в том числе: а) получение количественных характеристик микро- и макро структур, степени их упорядоченности, а также взаимо связей типа "структура-воздействие, реакция на воз действие" ; б) автоматическая обработка изображений в световой и электронной микроскопии изображений микроорганизмов, растительных, животных клеток и тканей, металлов, сплавов, полимерных и других материалов; в) обработка аэроснимков лесов для определения запасов древесины, посевов для определения уровня всхожести, почвенного покрова в мелиоративных целях, облачного покрова Земли в метеорологии, контроль за состоянием окружающей среды; г) сжатие визуальной информации при передаче ее на боль шие расстояния, например, в космических исследованиях для кодирования и передачи изображений с ИСЗ и АМС; д) пространственная реконструкция трехмерных объектов по их дифракционным спектрам; е) автоматический поиск объектов известной формы в при сутствии других объектов - на шумовом фоне, например, поиск определенных клеток среди множества других.
Разработка метода количественного описания микро- и макроструктур на основе теории дифракции в оптическом диапазоне длин волн.
Разработка математической модели двумерного изображения квазипериодических структур и методов расшифровки оптических двумерных дифракционных спектров (ДЦС).
Создание автоматизированной системы дифракционного анализа изображений.
Апробирование разработанного метода и технических средств в решении различных задач исследований.
Научная новизна
Разработан метод оптико-структурного дифракционного анализа для количественного описания микро- и макроструктур по их оптическим ДЦС
Разработаны и исследованы физические модели изображений структур, состоящие из элементов, отличающихся формой, размерами и взаимным расположением.
3. Решена задача дифракции излучения на отверстиях в экране мето дом разбиения пространства отверстия цилиндрическими поверх ностями.
Разработана математическая модель двумерного изображения квазипериодических структур.
Разработана методика расшифровки и интерпретации дифференциальных и интегральных пространственно-частотных характеристик ДЦС (ДЧХ, ИЧХ, ДПХ, ИПХ) и изофот.
Практическая значимость
Разработана автоматизированная система дифракционного анализа изображений, вошедшая в состав комплекса обработки данных микробиологических исследований (АСОД-микро) в институте "ШИЙсинтезбелок"
Предложена методика и выполнен расчет необходимой мощности излучения источника по заданному отношению сигнал-шум при регистрации ДЦС.
Выполнены исследования возрастных изменений микроструктуры печени крыс,на основании которых подтверждена возрастная периодизация развития этой структуры в онтогенезе.
Разработана методика количественной оценки анизотропии текстурных изображений и апробирована в исследованиях растровых изображений хрупких и вязких изломов стали.
Разработана методика обработки аэрокосмических фотоизображений, полученных с ИСЗ и автоматических станций, обеспечивающая выбор оптимальных режимов ввода-вывода изображений из ЭВМ.
Выполнена пространственная реконструкция трехмерной структуры трубчатых белков»
Разработана принципиальная схема Фурье-микроскопа для анализа микрообъектов по их ДЦС и выданы исходные данные Ленинградскому оптико-механическому объединению (ЛОМО) на создание опытно-промышленного образца прибора.
Показана возможность оценки состояния микробной культуры с использованием пространственно-частотных характеристик ДЦС
Все исследования,представленные в диссертационной работе, выполнены в отделе прикладной биофизики "ВБИЙбиотехника" и лаборатории автоматизации научных исследований "ВНИИсинтезбелок" Главмикробиопрома при Совете Министров СССР по Координационному плану согласно Постановления Государственного Комитета по науке и технике: $296 от 2.G7.I97I г. по проблеме 0.18.075 - задание 0.18.09 "Создание автоматизированной системы экспресс-анализа и распознавания микрообъектов, включая измерение двумерных спектров" (номер гос.регистрации №76007236); №390 (приложение 57)от 5.II.1976 г. по проблеме 0.80.16 (задание 14) "Создание и ввод в эксплуатацию в институте "ВНИИсинтезбелок" автоматизированной системы обработки данных микробиологических исследований (АС0Д-МИКР0) для машинной диагностики функционального состояния промышленных микроорганизмов' (номер гос. регистрации №76063983); - №457 (приложение №2) от 24.12.1976 г.по проблеме 0.41.01 (задание 02.02) "Разработка и испытания макетного образца фурье-микроскопа "Протва-Д" для автоматизации микробиологического контроля производства ЕВК на бактериальных культурах (заказ-наряд 0.41.01-176/76-80, номер гос.регистрации №76063991). Хоздоговор с Госцентром "Природа":"Оптико-структурный анализ аэрокосмической видеоинформации о природных ресурсах"(заказ-наряд 024-Д-2І/8І-8І, номер гос.регистрации №01823004891).
Оптическая дифрактометрия изображений состояние и перспективы (обзор литературы)
В настоящее время активно внедряются в практику исследований статистические методы анализа, а также методы морфометрии и стереологии в задачах распознавания сложных изображений и видовой принадлежности микрообъектов, биологических структур, поли -меров, металлов и др.[78.102,118 1. Для решения названных задач одним из наиболее перспективных направлений являются методы оптической обработки информации с применением электронно-вычислительных машин [46,47,83-86,90,95,101 ], а также методы цифровой обработки изображений Г129 ].
При освещении объекта параллельным монохроматическим пучком света происходит разделение падающей волны на ряд волн, отклоненных под различными углами относительно падающего излучения.
За счет явления дифракции происходит естественное разделение волн, дифрагированных на различных пространственных структурах.Дифракционная картина представляет собой изображение,сформированное из спектров отдельных элементов структуры(расположенных симметрично оптической оси) , где вклад каждого элемента в общий дифракционный спектр независим и обладает свойством аддитивности [18 ] . Существующие в настоящее время методы определения структуры объектов по рассеянному излучению можно разделить на два направления.Первое, когда параметры спектра непосредственно используют в качестве количественной характеристики объекта [69,90] и второе -когда спектр служит для определения параметров объекта ( размера, формы и др.] путем решения "обратной" задачи дифракции [24,42,112]. Использование ДЦС для анализа биологических микрообъектов
Вероятностные свойства изображений и модель квазипериодической структуры
Исследования структур и их изображений на основе общей теории дифракции в оптическом диапазоне длин волн. Одним из направлении оптической дифрактометрии является метод оптико-структурного анализа (ОСДА). Основной задачей ОСДА является количественная и качественная оценка морфологических структур, в том числе степени их упорядоченности, и стереологическая реконструкция трехмерных надмолекулярных структур по их двумерным дифракционным спектрам [51,90].
Исследование макро- и микроструктур методом оптической дифрактометрии имеет много общего с рентгенографией, электронографией и нейтронографией, как обусловленное одним и тем же физическим явлением - дифракцией, но в различных диапазонах электромагнитных волн. Однако между ними есть принципиальная разница, поскольку, например, задачей рентгеноструктурного анализа является восстановление пространственной структуры белков, ферментов, кристаллов и других объектов на атомно-молекулярном уровне по данным дифракционного анализа, так как их прямое наблюдение с помощью электронного микроскопа невозможно. В случае ОСДА вначале мы имеет изображение микроструктуры, которое искуственно преобразуем в ДДС. Цель этого преобразования - получить статистические характеристики микроструктуры с целью ее количественного описания. При таком подходе пространственные и частотные характеристики ДДС, специфические для каждой группы или класса исследуемых объектов, служат в качестве признаков для их классификации и распознавания. Кроме того, аналогично рентгеноструктурному анализу методом СЮДА определяют размеры, расстояния, концентрацию и другие морфометрические характеристики объекта путем решения "обратной" задачи дифракции, когда определение этих параметров микрообъектов другими методами связано с большими трудностями в виду их малого размера (соизмеримых или меньших длины волны лазера]
Дифракционный двумерный спектр (ДДС) изображения представляет собой суперпозицию спектров отдельных элементов структуры и определяется их размерами, формой, взаимоположением друг относительно друга, а также концентрацией компонентов и оптическими свойствами объекта в целом. Иными словами - ДДС является интегральной статистической характеристикой объекта, а его пространственно-частотные характеристики (ШЗХ) отражают геометрию и топологию компонентов исследуемой структуры. Таким образом, ІИХ могут быть использованы для количественного и качественного анализа микрообъектов, микро- и макроструктур в задачах автоматической классификации и идентификации [5I,90J .
Система ЛАД - УВК
Первый образец прибора для оптико-структурного анализа микрообъектов по их оптическим дифракционным спектрам - лазерный дифрактометр ЛД-І, был разработан и создан в институте "ШИИбиотехника в 1970 г [ 60 ] Прибор позволял получать ДДС микрообъектов или их изображений с регистрацией на фотопленку; визуально наблюдать ДЦС через отводной окуляр или на видеоконтрольном устройстве промышленной телевизионной установки ПТУ-27 и фотографировать спектры с различным увеличением (от Iх до 10х).
Фотографирование спектров, проявление пленки, фотометриро-вание ДЦС на микрофотометре ИФ0-45І с целью получения пространственно-частотных характеристик, создавало неудобства в работе, увеличивало время анализа и ограничивало возможности метода. Стала очевидной необходимость автоматизации измерений и обработки ДЦС.
Базируясь на опыт, полученный при разработке и эксплуатации дифрактометра ДЦ-І, а также учитывая опыт других разработчиков [65f69fI6I ]f была создана автоматизированная система
Исследование текстурных изображений
В качестве примера эффективности использования оптических ДДС с целью получения количественной оценки строения структуры нами были проведены исследования растровых изображений изломов стали [4,59 90,с.18і]и монокристаллов сульфида кадмия [ 50,90, с. 184].
Исследование растровых изображений изломов стали.
В последние годы появился ряд работ, в которых сделана попытка ввести объективные количественные характеристики для оценки строения изломов, выявить связь этих характеристик со структурными особенностями материала или с энергетическими параметрами разрушения [ 124 ] . Количественную информацию дает метод исследования микрогеометрии поверхности излома с использованием автокорреляционной функции и статистических характеристик по анализу плотности образца [ 90 ,с.П4-П8].
Тонкое строение изломов отображает локальные условия разрушения в узкой примыкающей к нему зоне, оценивает степень микропластической деформации в процессе разрушения вблизи поверхности разделения. Анализ изломов широко используется как составная часть исследования процесса разрушения при изучении: механизма и кинетики при разрушении; характера и причин эксплуатационных разрушений; для контроля качества материала и др. Поскольку излом имеет чрезвычайно сложное строение, характеризующееся, в частности, различной степенью дисперсности элементов структуры и неоднородностью распределения, исследования включали в себя два вида этапа: первый - выбор критерия оценки излома по ДДС; второй - установление преимущественного направления в структуре (анизотропии) и ее количественная оценка. Работа проводилась нами со специалистами-металловедами лаборатории термической обработки металлов(проф.Бернш-тейя М.Л.) Московского института стали и сплавов. [4,59,102].
