Введение к работе
Актуальность темы
Решение проблемы повышения эффективности технических средств, предназначенных для визуализации и обработки изображений объектов фотолюминесцентной и электролюминесцентной природы в процессе проведения криминалистических, молекулярно-биологических и медицинских исследований, весьма актуально в связи с необходимостью усиления борьбы с правонарушениями, а также в связи с увеличением количества инфекционных и наследственных заболеваний.
Для перечисленных выше прикладных областей проблема повышения эффективности технических средств визуализации и обработки непосредственно связана с повышением их чувствительности, а также оперативности и объективности проведения исследований.
В настоящее время требуется получать изображения слабо люминесцирующих объектов, находящихся на границе и за пределами визуального порога обнаружения. Для криминалистических исследований выявление практически невидимых невооруженным глазом следов в ряде случаев предопределяет получение вещественных доказательств совершенного преступления, а для молекулярно-биологических и медицинских исследований - возможность диагностики заболеваний на ранней (латентной) стадии развития.
Рассматриваемая проблема носит долговременный характер, поскольку требуется обнаруживать минимально возможное количество люминесцирующего вещества, получение которого достигается постоянно совершенствующимися методами подготовки проб. Традиционно применяющиеся для ее решения фотографические методы не обеспечивают оперативности получения результата. Замена фотографических методов визуализации телевизионными методами позволяет повысить как оперативность, так и чувствительность технических средств, а применение методов обработки и количественного анализа получаемых изображений обеспечивает повышение объективности исследований.
В свою очередь повышение чувствительности связано не только непосредственно с увеличением энергетических характеристик источника возбуждения люминесценции (ИВЛ) и чувствительности приемника люминесценции (ПЛ), но и с оптимизацией с учетом характеристик исследуемого объекта всей телевизионной спектральной системы (ТСС), включающей в себя ИВЛ и ПЛ. Так, например, при фотолюминесценции ограничение контрастности получаемых изображений вызвано не идеальными спектральными характеристиками ИВЛ и ПЛ в результате чего происходит проникновение в ПЛ паразитных (фоновых) составляющих как в области спектра поглощения , так и в области спектра люминесценции вещества.
В настоящее время отсутствуют четкие критерии и рекомендации по выбору ИВЛ и ПЛ, что часто приводит при попытке визуализации слабой
люминесценции к бесполезному повышению их мощности и чувствительности. Таким образом, возникает задача выбора ИВЛ и ПЛ для визуализации объекта с априорно известными люминесцентными свойствами с целью получения максимально возможного контраста.
Аналогичная задача согласования характеристик объекта с параметрами системы возникает и при перспективных медико-биологических исследованиях, связанных с визуализацией газоразрядного свечения -электролюминесценции газа вокруг объекта, помещенного в переменное электрическое поле.
Практические задачи рассматриваемых в работе областей применения требуют не только визуализации люминесцирующих объектов, но и их количественной оценки. Весьма важна такая оценка для исследования результатов электрофореза в гелях продуктов полимеразной цепной реакции (ПНР), в частности, при определении молекулярной массы и количества ДНК по изображениям люминесцирующих фрагментов, а при исследовании газоразрядного свечения не менее важна классификация изображений газоразрядных фигур на основе анализа их топологических и фрактальных характеристик. В свою очередь количественные измерения требуют оценки их точности.
Таким образом, актуальность настоящей работы обусловлена следующими факторами:
необходимостью создания теоретических основ для инженерных расчетов телевизионных спектральных систем (ТСС), визуализирующих люминесценцию;
необходимостью разработки принципов построения высокочувствительных ТСС, а также уменьшения времени воздействия на исследуемый объект;
необходимостью развития методов обработки изображений с учетом специфики люминесцирующих объектов;
необходимостью разработки методов количественного анализа и автоматизированной диагностики инфекционных заболеваний по изображениям люминесцирующих продуктов ПЦР;
необходимостью развития метода визуализации и обработки изображений газоразрядного свечения.
Целью работы является разработка методов телевизионной визуализации люминесцирующих объектов и обработки их изображений для повышения эффективности решений прикладных задач в криминалистических, молекулярно-биологических и медицинских исследованиях.
Задачи работы, связанные с достижением поставленной цели: 1) анализ прикладных задач, требующих визуализации люминесценции, в следующих практических приложениях: техническая экспертиза документов (криминалистика), регистрация результатов электрофореза в гелях продуктов полимеразной цепной реакции (молекулярная биология), мониторинг функционального состояния биологического объекта путем
регистрации его газоразрядного свечения в электромагнитном поле высокой напряженности (перспективные медицинские исследования);
разработка математической модели ТСС, визуализирующей фотолюминесценцию, и получение на ее основе аналитических выражений, пригодных для инженерных расчетов параметров ТСС, их численного моделирования на ЭВМ и оптимального выбора компонентов системы;
разработка принципов построения высокочувствительных ТСС для регистрации фотолюминесценции, работающих в непрерывном и импульсном режимах;
разработка принципов построения моноимпульсных ТСС для визуализации газоразрядного свечения;
развитие метода компенсации неравномерности сигнала фотоприемника применительно к случаям дополнительного проявления дефектов (например, ячеек с аномально высоким уровнем темнового тока, проявляющихся при прогреве);
анализ и развитие методов внутрикадровой и межкадровой обработки изображений и обоснование их применения в ТСС с учетом специфики изображений люминесцирующих объектов, получаемых в рассматриваемых практических приложениях;
разработка методов получения количественных характеристик молекулярной массы ДНК по бинарным изображениям люминесцирующих продуктов ПНР в гелях, а также количества ДНК применительно к задачам молекулярной биологии;
разработка метода описания фрактальных структур в бинарных изображениях в виде корневых деревьев (графов), позволяющего проводить классификацию стримеров газоразрядного свечения для использования в качестве диагностических признаков;
разработка методов автоматизированной диагностики инфекционных заболеваний по изображениям люминесцирующих продуктов ПЦР;
разработка метода мониторинга газоразрядного свечения на основе покадровой съемки газоразрядного свечения и отображения в реальном времени его количественных характеристик;
развитие методов отображения визуальной и количественной информации при мониторинге газоразрядного свечения, в частности, метода построения секторных моделей для отображения количественных характеристик и интегральных секторных изображений из произвольно выбираемых фрагментов (секторов) исходной последовательности кадров и метода 3-D графики;
анализ методов оценки стабильности аппаратуры и влияния погрешностей определения основных количественных характеристик газоразрядного изображения в результате воздействия дестабилизирующих факторов;
экспериментальное подтверждение разработанных и развитых методов и их реализация в серийно выпускаемой аппаратуре.
Методы исследований основаны на теориях фотолюминесценции и фотоэффекта, теории вероятности и математической статистике, теории графов, методах математического моделирования и управления, методах оптимизации, методах цифровой обработки изображений.
Объектом исследования настоящей работы являются процессы получения визуальной информации о фотолюминесценции и электролюминесценции объектов.
Предметом исследования являются методы оптимизации параметров телевизионной спектральной системы с использованием ее математической модели, а также методы извлечения количественной информации при компьютерной обработке двумерных изображений.
На защиту выносятся следующие научные положения:
телевизионная спектральная система (ТСС), регистрирующая фотолюминесценцию, полностью характеризуется источником возбуждения люминесценции (ИВЛ) и приемником люминесценции (ПЛ), параметры которых должны быть согласованы со спектральными характеристиками объекта, при этом существует множество оптимальных пар ИВЛ-ПЛ, для которых произведение мощности ИВЛ и чувствительности ПЛ является величиной постоянной для объекта с заданными люминесцентными свойствами;
в идеальной ТСС отсутствуют ограничения по увеличению мощности ИВЛ и ПЛ с целью обнаружения слабо люминесцирующих объектов, однако, для квазиидеальных и реальной ТСС существуют пороговые значения, определяемые соотношением коэффициентов, характеризующих люминесцентные свойства объекта и паразитные световые потоки, проникающие в ПЛ из-за не идеальных спектральных характеристик ИВЛ и ПЛ, при достижении которых увеличение чувствительности ПЛ и мощности ИВЛ является бесполезным для обнаружения слабо люминесцирующих объектов;
идентификация фрактальных структур, получаемых при моноимпульсной телевизионной визуализации газоразрядного свечения, может быть осуществлена на основе их представления с помощью корневых деревьев (графов), описываемых характеристической последовательностью вида lm^nl— Аь;...тпі , где 2<А<т, b=l,2...к, т и к - целые числа;
определение количества ДНК и молекулярной массы люминесцирующих продуктов полимеразной цепной реакции (ПЦР) в геле связано с определением суммарной интенсивности пикселей люминесцирующего фрагмента и его координат в плоскости изображения, а также калибровкой измерительной системы по изображениям молекулярных маркеров с использованием метода кусочно-линейной аппроксимации, позволяющего минимизировать таблицу аргументов и соответствующих им функций;
для оценки стабильности аппаратуры целесообразно использовать п -мерные системы случайных параметров газоразрядного свечения (например, площади, периметра, средней яркости), что позволяет
получить дополнительно к общепринятой оценке среднеквадратического отклонения такие характеристики, как ковариации и коэффициенты корреляции измеряемых параметров.
Научная новизна подтверждается следующими научными
результатами:
разработана математическая модель телевизионной спектральной системы (ТСС), регистрирующей фотолюминесценцию, предназначенная для оценки ее чувствительности и контраста получаемых изображений;
найдены аналитические выражения для определения контраста изображений в идеальной и реальной ТСС и оптимального выбора компонентов системы, полученные на основе предложенной математической модели;
разработан метод получения количественных характеристик -молекулярной массы и количества ДІЖ по изображениям люминесцирующих продуктов ПЦР в гелях применительно к задачам молекулярной биологии;
созданы методы автоматизированной диагностики инфекционных заболеваний по изображениям люминесцирующих продуктов ПЦР в гелях;
разработан метод описания фрактальных структур в бинарных изображениях в виде корневых деревьев (графов), позволяющий проводить классификацию стримеров газоразрядного свечения для использования в качестве диагностических признаков;
найден алгоритм выделения и группировки устойчивых кадров изображений в динамической последовательности и формирования информационного кадра для последующего морфологического и количественного анализа характеристик газоразрядного свечения, построенный на основе методов межкадровой обработки;
создан метод мониторинга газоразрядного свечения на основе покадровой съемки газоразрядного свечения и отображения в реальном времени его количественных характеристик;
разработаны принципы построения высокочувствительных ТСС для визуализации фотолюминесценции;
разработаны принципы построения моноимпульсных ТСС для визуализации газоразрядного свечения;
развит компенсационный метод устранения неравномерности сигнала фотоприемника применительно к случаям проявления дефектов;
развиты методы отображения визуальной и количественной информации при мониторинге газоразрядного свечения;
проведен анализ методов внутрикадровой и межкадровой обработки изображений с учетом специфики изображений люминесцирующих объектов, получаемых в рассматриваемых практических приложениях, в частности, показана целесообразность сочетания аналоговой внутрикадровой и цифровой межкадровой обработки, а именно: коррекции видеосигнала и цифрового усреднения последовательности
кадров для малоконтрастных статических изображений при фотолюминесценции и для выделения устойчивых структур в динамических изображениях газоразрядного свечения;
проведен анализ погрешностей определения основных количественных характеристик газоразрядного свечения, в частности, показано положительное смещение оценки периметра газоразрядного свечения и его горизонтальной проекции при увеличении дестабилизирующих факторов, а также предложен ряд дополнительных вероятностных характеристик для оценки стабильности работы аппаратуры;
получено экспериментальное подтверждение разработанных и развитых методов и их реализация в серийно выпускаемой аппаратуре. Практическая значимость работы заключается в том, что на
основании общего подхода и методов, изложенных в диссертации, разработан и внедрен в практику криминалистических, молекулярно-биологических и медицинских исследований новый класс аппаратуры-телевизионные спектральные системы для визуализации и обработки изображений люминесцирующих объектов. Практическую значимость имеют:
математическая модель ТСС и полученные на ее основе аналитические выражения для оценки чувствительности и контраста получаемых изображений для оптимального выбора компонентов системы, а также программное обеспечение для моделирования параметров ТСС;
основные алгоритмические принципы обработки изображений люминесцирующих объектов с целью повышения качества их визуального восприятия, получения количественных параметров, отображения результатов анализа и автоматизированной диагностики;
специализированное программное обеспечение для визуализации, обработки и анализа изображений люминесцирующих объектов;
телевизионная аппаратура для криминалистических исследований документов (ТСС-2, ТСС-3, ТСС-ЗМ, ТСС-ЗЦ, Эксперт, Эксперт-Ц, Радуга-2), телевизионная аппаратура для регистрации и исследования продуктов ПЦР при геномной дактилоскопии и при диагностике наследственных и инфекционных заболеваний (ТСС «Люмен», «Гель»), а также приборы и системы для визуализации и исследования газоразрядного свечения («Корона-ТВ», «Стример»).
Достоверность полученных результатов обеспечивается теоретическим и экспериментальным обоснованием выдвинутых положений, а также их реализацией в новой номенклатуре телевизионной аппаратуры прикладного назначения - телевизионных спектральных системах, предназначенных для использования в областях применения, рассмотренных в диссертации. Аппаратура, созданная под непосредственным руководством автора диссертации, включена в номенклатурный каталог «Средства связи телевидения и радиовещания» Российского агентства по системам управления и Института экономики и комплексных проблем связи (Москва,2000), а также в специализированный номенклатурный каталог
«Телевизионные спектральные системы» НИИ промышленного телевидения «Растр» (Великий Новгород).
Личный вклад автора в проведенные исследования заключается в выборе объекта исследований, формулировке и реализации цели и задач работы, в том числе: разработке математической модели и получении аналитических выражений для оценки параметров ТСС, постановке задач и участии в разработке программного обеспечения для моделирования ТСС и специализированных программ ввода и обработки получаемых изображений, руководстве работами по созданию опытных образцов аппаратуры, формулировке основных идей, составляющих сущность методов, изложенных в диссертации.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в период с 2000-2006гг. на международных и российских конференциях и семинарах. Среди них Всероссийские и Международные конференции:«Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, 2000г.), «Современное телевидение» (Москва, 2001-2006гг.), «Телевидение: передача и обработка изображений» (Санкт-Петербург, 2000г.), «Приборостроение» (Винницы, 2001-2004гг.), «Наука, информация, сознание» (Санкт-Петербург, 2001 и 2004гг.), «Медико-экологические и информационные технологии» (Курск, 2004г.).
Результаты диссертационной работы были использованы при разработке телевизионных спектральных систем и систем визуализации газоразрядного свечения в НИИ промышленного телевидения «Растр» (Великий Новгород), что подтверждено соответствующими актами. В настоящее время данная аппаратура выпускается серийно и используется в центральных и региональных криминалистических службах различной ведомственной принадлежности (МВД, ГТК, Министерства юстиции, Центрального банка и др.), медицинских учреждениях и исследовательских лабораториях, а также художественно-реставрационных и библиотечных центрах. Созданные образцы аппаратуры защищены патентами РФ на изобретения и отмечены серебряной медалью международного салона изобретений и инноваций «Брюссель-Эврика-96», дипломом специализированной выставки «Интерполитех-2000», а также золотой медалью международного конкурса «Национальная безопасность-2002».
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 60 опубликованных научных работах, из них 1 монография, 19 научных статей, 18 авторских свидетельств и патентов, 4 отчета по НИР и ОКР, 18 тезисов конференций, из них 31 работа опубликована в изданиях, рекомендованных ВАК. В работах, выполненных с соавторами, автору диссертации принадлежит постановка задачи, концепция основных методов и анализ полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы из 211 наименований, включая 66 работ автора. Основная часть работы изложена на 272 страницах машинописного текста. Работа содержит 98 рисунков и 12 таблиц.
