Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время в теории и практике обработки и анализа изображений наметилась тенденция создания специализированных экспертных диагностических комплексов. Теоретические основы таких систем описаны в трудах Д.Марра, Р.Фишера, В.В.Александрова, Хорна Б.К.П.
На их базе реализованы проблемно-ориентированные СОИ в самых разных предметных областях. При этом все чаще в качестве аппаратной базы используются ПЭВМ. Экспертов, для которых предназначены СОИ, привлекают широкие возможности наращивания периферийного оборудования ПЭВМ, мобильность, простота эксплуатации,' надежность, небольшие' затраты на обслуживание и модернизацию системы. Однако при практическом использовании такие, СОИ имеют ряд недостатков, затрудняющих построение адекватных описаний объекта:
-
инертность отклика интерфейса, затрудняющая выбор требуемой операции;
-
погрешность метрологического обеспечения, ухудшающая точность измерений и искажающая результаты анализа;
-
потребность в дополнительных усилиях при выделении объекта исследований на изображении (в ручном редактировании или в применении системы идентификации), существенно снижающая производительность всего комплекса;
-
громоздкость и сложность "дружественного" интерфейса, требующая дополнительных затрат времени эксперта на освоение навыков, необязательных для диагностики.
При этом предлагается неоправданно большое число вариантов технических решений сходных задач. Между тем, специфической особенностью процесса принятия диагностического решения является выполняемая экспертом последовательность действий.
СЭДК, в отличие от АСОИ, в своей основе содержит:
-
интерфейс, сочетающий эффективность формирования и простоту воспроизведения последовательности действий эксперта;
-
минимальный набор операций обработки и анализа
изображений, достаточный для принятия диагностических решений;
3) высокую эффективность реализации этих операций;
Наиболее интересными с исследовательской точки зрения представляются биомедицинские изображения, которые трудно интерпретировать даже эксперту в предметной области. Например: рентгеновские снимки, термографические снимки, изображения органов микроорганизмов при предельных увеличениях оптического микроскопа.
Цель работы. Целью диссертационной работы является проектирование и построение на базе персонального компьютера экспертного диагностического комплекса обработки и анализа биомедицинских изображений.
Эта цель достигается решением следующих конкретных задач:
-
формирование набора стандартных операций обработки на основе анализа существующих СОИ, достаточного для принятия диагностического решения в предметных областях, сходных с биомедицинскими;
-
определение конфигурации и характеристик аппаратной части СЭДК, обеспечивающих выполнение сформированного набора операций;
-
разработка интерфейса, обеспечивающего эффективное формирование последовательности действий эксперта и простое ее воспроизведение;
-
разработка способа увеличения точности метрологической подсистемы при заданной разрешающей способности подсистемы ввода;
-
программная реализация операций обработки с минимально-возможным потреблением ресурсов ПК;
-
верификация комплекса и программного обеспечения.
Для решение перечисленных задач применялись следующие методы исследования: цифровой обработки изображений, машинной графики, цифровой картографии, аналитической геометрии, статистической обработки сигналов, структурного программирования и принципы построения интерактивного интерфейса.
Научная новизна. В ходе работы получены новые научные результаты, которые выносятся на защиту:
-
метод выделения объектов на полутоновых изображениях, основанный на анализе взаимосвязи площади и периметра при наращивании области и уточнении границ посредством изменения масштаба представления;
-
рекурсивный метод прореживания полигонов на основе системы метрических соотношений;
-
алгоритм описания полигона прямоугольным контуром;
-
способ повышения метрологической точности комплекса, основанный на сценке площади и периметра объекта по трем характеристикам его дискретного изображения;
-
принципы построения интерфейса, обеспечивающего эффективное формирование цепочки действий пользователя-специалиста в предметной области и простое ее воспроизведение.
Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в следующем:
1) разработан и реализован действующий СЭДК "КОНТУР",
включающий в себя:
аппаратную часть на базе ОИС "ГЛАЗ" (ИЧП "ТВиН" Грибунина А.Г.),
драйвер ввода биомедицинских изображений в ПЭВМ типа IBM PC АТ-286 ИЗ ОИС "ГЛАЗ",
оригинальный графический интерфейс,
подсистему метрологического обеспечения,
подпрограммы предварительной обработки и морфологического анализа биомедицинских изображений;
-
реализована подпрограмма выделения указанных специалистом объектов на биомедицинских изображениях;
-
разработана система автоматизированной классификации двустворчатых моллюсков Bivalvia, основанной на определении угла логарифмической спирали;
-
разработана автоматизированная система морфологических исследований свободноживущих нематод Sabatieria kolaensis по изображениям, полученным при увеличениях более чем 2000 раз;
-
разработаны приложения под Windows для обработки рентгеновских изображений и термографических снимков;
-
разработана подпрограмма описания полигонов прямоугольным контуром.
Реализация и внедрение. С целью верификации предложенных
положений и отладки разработанных алгоритмов СЭДК "КОНТУР"
выставлялся в 1991 году на Всесоюзный конкурс программистов
"SoftWare-91" в г.Ташкенте и с 1992 года используется для
обучения студентов в Санкт-Петербургском государственном
университете. На его базе разработаны действующие
подсистемы, вышеописанные в подпунктах 2,3,4. Они активно
используется в научных исследованиях сотрудниками
Зоологического института РАН при работе с оптической
измерительной системой "Глаз" (ИЧП "ТВиН") . Так, группа
ученых под руководством В.В.Гальцовой выполнила ряд
исследований, в которых автоматически были вычислены
некоторые индексы и процентные соотношения, используемые при
исследовании нематод (например, общая длина тела нематоды,
длина пищевода, хвоста, спикул, рулька, диаметр тела на
уровне различных структур/ размеры амфида, его расстояние от
переднего конца и т.д.). Для каждого экземпляра получено от
20 до 32 морфометрических параметра и от 10 до 15
соотношений и индексов. Кроме промеров для каждого
і экземпляра были получены компьютерные изображения разных
участков тела.
Windows-приложения для обработки рентгеновских снимков используются в Городском детском диагностическом центре.
Подпрограмма описания полигонов применяется в научно-внедренческой фирме "АСУ РОСТ".
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили одобрение:
-
на Всесоюзном конкурсе программистов "SoftWare-91" (2-е место),
-
на международной конференции в Зоологическом институте РАН в Санкт-Петербурге в 1993 году.
3) на международной выставке "Больница-93" в Санкт-Петербурге.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 4 научных работы.
Объем и структура работы: Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения (116 страниц машинописного текста), приложения (3 страниц), списка литературы (107 наименований на 10 страницах).
