СИСТЕМА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИx

СИСТЕМА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ, ВВОДА В ПК И АНАЛИЗА
ИЗОБРАЖЕНИЙ НАНООБЪЕКТОВ ОТ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО МИКРОСКОПА
Елаков С.Г., Руденко О.Г., Сотников О.М.
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
61166, Харьков, пр. Ленина, каф. ЭВМ, тел. (057) 702-13-54.
E-mail: [email protected]
The given work is devoted to developed system of formation and analyzing the PC images of
biological nanoobjects received from a holographic mіkroskop
Разработанная система предварительной обработки, ввода в ПК и анализа изображений
биологических нанообъектов от голографического микроскопа включает следующие
функциональные подсистемы: предварительной аналоговой обработки изображений,
предварительной цифровой обработки изображений, детектора контуров со скользящей маской
Робертса, детектора контуров со скользящей маской Превит–Собела, процессора быстрой
количественной оценки параметров (S – площади объектов, P – периметра контура объектов, Y –
оптической плотности объектов, К – коэффициента формы), подсистема устройства
синхронизации и персональный компьютер.
При разработке системы:
- предложена структура реализации выделения контуров по алгоритму Робертса, структура
реализации выделения контуров со скользящей маской Превит–Собела;
- для улучшения качественных характеристик системы фильтрации контуров разработан
алгоритм выделения контуров с последовательным применением двух скользящих масок:
Робертса и Превит–Собела, вытекающий из реальных значений отношений сигнал/помеха;
- исследованы зависимости вероятности правильного обнаружения контуров от
соотношения сигнал/помеха для случаев использования дифференциальных операторов Робертса
и Превит–Собела, отдельно, для случаев выделения вертикальных и диагональных элементов
контуров;
- разработаны и исследованы способы автоматической регулировки чувствительности ПЗС
и способы гомоморфной фильтрации;
- разработаны и исследованы способы нелинейного цифрового кодирования видеосигнала,
способы
мажоритарно-логического
сглаживания
при
пространственной
фильтрации
видеоинформации;
- рассмотрены подходы к автоматизированному измерению геометрических характеристик
объектов;
- разработана система автоматической регулировки чувствительности;
- для расширения динамического диапазона рабочих освещенностей разработан блок
аналоговой АРЧ;
- рассмотрены подходы к выбору структуры АЦП, разработана и реализована его схема;
- разработан и исследован цифровой γ-корректор, который осуществляет регулировку
градационной характеристики свет–сигнал и выполняет процедуру расширения динамического
диапазона яркости сигнала изображения;
- с целью дополнительного улучшения качества изображения для его последующей
обработки предложен метод приведения гистограммы яркости сигнала изображения к
равномерной;
- рассмотрены методы коррекции апертурных искажений, возникающих в процессе
формирования сигнала изображения, которые приводят к уменьшению крутизны резких перепадов
яркости, уменьшению глубины модуляции сигнала на мелких деталях изображения. Для
компенсации таких искажений разработан цифровой апертурный корректор.
Рассмотренные принципы измерений геометрических характеристик объектов могут быть
реализованы с помощью обобщенной структуры, включающей датчик изображения на матрице
ПЗС, блок предварительной аналоговой обработки изображений, предварительный усилитель с
активным фильтром, блок гомоморфной обработки видеосигнала, блок автоматической
регулировки чувствительности (АРЧ), низкочастотный фильтр, блок предварительной цифровой
обработки изображений, схема фиксации уровня, АЦП, гамма корректор, линеаризатор
гистограммы яркости, блок апертурной коррекции, блок противошумовой коррекции, блок
выделения контуров, блок детекторов контуров с матрицей Робертса 2х2 элемента, детектор
контура матрицы Превитт–Собела 3х3 элемента, рабочий процессор быстрой количественной
оценки параметров, ПК, устройство синхронизации.
В качестве датчиков изображения целесообразно использовать серийные ПЗС матрицы.
Применение в качестве активного фильтра НЧ фильтра Чебышева второго порядка и
выполнение предварительного усилителя по схеме с симметричным входом позволяет снизить
размах тактовой помехи более чем на 40 dB.
Использование активных RС фильтров обеспечивает исключение фазовых искажений в
выходном видеосигнале.
Построение системы АРЧ производилось исходя из следующих основных требований:
обеспечение высокой точности регулирования, обеспечение малого времени установления схем
регулирования, обеспечение минимального влияния АРЧ на видеотракт.
Разработанная структурная схема АРЧ включает:
1 - ключевой каскад, служащий для "вырезки" из исходного видеосигнала гасящих
импульсов,
2 - каскад задержки срабатывания системы АРЧ,
3 - усилитель, служащий для компенсации затухания, вносимого в видеосигнал блоками
предварительными обработки,
4 - устройство выборки-хранения,
5 - фильтр нижних частот, генератор пилообразного напряжения,
6 - компаратор, где осуществляется сравнение среднего значения видеосигнала с эталонным
пилообразным напряжением и формирование импульсов накопления соответствующей
длительности.
Разработанный блок аналоговой АРЧ позволяет расширить динамический диапазон рабочих
освещенностей до 20 дБ.
В целях обеспечения цифровой пространственно-временной фильтрации сигналов,
исходный аналоговый сигнал с выхода блока гомоморфной обработки с помощью АЦП
подвергается дискретизации. Лучшие рабочие характеристики АЦП удается реализовать на
параллельно-последовательном преобразователе.
Цифровой γ-корректор осуществляет регулировку градационной характеристики свет-сигнал
и, одновременно, выполняет процедуру расширения динамического диапазона яркости сигнала
изображения. Цифровой γ-корректор в системе реализован на базе постоянного цифрового
запоминающего устройства (ПЗУ), формирующего сигналы разности между заданной и
реализуемой в тракте обработки характеристиками преобразования.
Апертурные искажения, возникающие в процессе формирования сигнала изображения,
приводят к уменьшению крутизны резких перепадов яркости, уменьшению глубины модуляции
сигнала на мелких деталях изображения.
Апертурно-частотная
характеристика
преобразователя
изображения
хорошо
аппроксимируется функцией:
ν1(ω) = [1+ а1 (ω/ω0)2+ а2 (ω/ω0)4+…]-1,
где ω0- частота компоненты сигнала изображения, на которой размах сигнала уменьшается в
е раз,
а1, а2,... - постоянные коэффициенты.
Для коррекции такой характеристики необходимо,
характеристика апертурного корректора Ккорр (ω) имела вид:
чтобы
амплитудно-частотная
Ккорр(ω) = 1/ν1(ω) = 1+ а1 (ω/ω0)2+ а2 (ω/ω0)4+…
Корректирующее устройство должно иметь обратную характеристику передачи, которую
можно сформировать как сумму частотных характеристик а1(ω/ω0)2, а2(ω/ω0)4,..., получаемых при
помощи дифференцирующих цепей: две последовательно включенные дифференцирующие цепи
приводят к характеристике вида К(ω)=а1ω2, а четыре- вида К(ω)=а2ω4. Однако, такой вариант
корректора осуществлял бы коррекцию сигнала только в горизонтальном направлении (вдоль оси
x). Лучшие результаты можно получить на базе двумерных корректоров, осуществляющих
преобразования дискретных сигналов изображения, соответствующих отдельным элементам
изображения, что и было реализовано в системе. Подчеркивание границ перепадов яркости
получается путем дискретной фильтрации. С этой целью осуществляется дискретная свертка
массива отсчетов сигнала изображения s(i,j) размером N x N c массивом H размером LxL и
формируется массив Q размера М х М.
Дискретная фильтрация, осуществляющая подчеркивание границ, как вертикальных, так и
горизонтальных, реализуется в случае использования следующих масок для высокочастотной
фильтрации:
 0 1 0 


H1 =  1 5 1  ;
 0 1 0 


 1 1 1
 1 2 1 




H2 =  1 9 1 ; H3 =  2 5 2  .
 1 1 1
 1 2 1 




В качестве основных элементов для реализации этих масок используются сдвиговые
регистры Tx и τ, осуществляющие задержку сигналов на время передачи строки (Tx) и элемента
(τ) изображения.
Последующий сумматор производит алгебраическое сложение сигналов после
перемножения их с соответствующими весовыми коэффициентами.
Двумерная пространственная фильтрация изображений для выделения контуров реализуется
с помощью дифференциальных операторов для получения поля градиентов в массиве 3х3
элементов, имеющих вид:
 i 0 1 


H1 =  C 0 C  ;
 1 0 1 


 1 C 1


0
0 .
H2 =  0
1 C
1 

При этом Н2 образуется поворотом Н1 в положительном направлении на 90°. Весовые
коэффициенты С в случае операторов Собела и Превитта соответственно будут С =2 и С =1.