CC BY
27
ISSN 2079-0031 Вестник НТУ "ХПИ", 2015, № 33 (1142) УДК 006.91
Н.В. ГЛУХОВА, канд. техн. наук, доц., ДВНЗ "Нацюнальний
прничий ушверситет", Дшпропетровськ
МЕТРОЛОГ1ЧН1 АСПЕКТИ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛ1ЗУ
НАП1ВТОНОВИХ ЗОБРАЖЕНЬ
Розглянуто юнуюш проблеми розробки метролопчного забезпечення при використанш метод1в вим1рювань, що засноваш на реестраци та спектральному анал1з1 зображень. Розроблено методику оцшки точности вщтворення просторово! частоти у процедур1 спектрального анашзу цифрових нашвтонових зображень, отриманих шляхом сканування. 1л.: 1. Б1блюгр.: 23 назв.
Ключов1 слова: метролопчне забезпечення, спектральний анал1з, просторова частота, цифров1 нашвтонов1 зображення.
Постановка проблеми. Завдяки можливостям сучасних комп'ютерних технологш розширюеться спектр завдань, як1 вирiшуються у рамках метрологи. Спостерiгаеться загальна тенденцiя пiдвищення вiзуалiзацií при виршенш метрологiчних задач. Паралельно з цим виникае необхвдшсть вщповщно! перебудови та удосконалення юнуючих алгоритмiв обробки даних. Одшею з головних цiлей виступае необхщшсть параметризацй' сигналiв та зображень: обгрунтований вибiр та оцiнка шльшсних значень саме тих параметрiв, яш для дослвджуваного об'екту або процесу виступають у якостi "паспортних", тобто таких, що забезпечують встановлення специфiчних ознак об'екту вимiрювань.
Анал1з лггератури. Галузi науки, у яких набуло широкого розповсюдження використання у якосл вимiрювальноí шформацп зображень, включають фiзику, хiмiю, бiологiю, медицину. Отримання та подальший аналiз зображень дозволяе використовувати потужний потенцiал з метою вилучення велико! кiлькостi параметрiв або характеристик дослвджуваного об'екту [1].
В багатьох галузях комп'ютерний аналiз зображень виявляеться ефективною альтернативою застарiлим способам техшчно! та медично! дiагностики, у яких ршення приймалися людиною. При вiзуальному аналiзi людинi-експерту необхвдно було розв'язувати низку складних завдань, пов'язаних з штуггивними та неоднозначними поняттями, наприклад, границя, довжина, орiентацiя об'екту [2].
У робот [3] пiдкреслюються переваги застосування вiзуалiзацií в метрологiчнiй практищ - це можливiсть поеднання доступу до шлькюно! та яшсно! шформацп одночасно, що забезпечуе максимально повне
© Н.В. Глухова, 2015
представлення про об'ект вимiрювань. Однак, як зазначае автор ще! CTarri, на сьогодтшнш день вiдсутнi роботи, присвяченi професюнальним вивченням проблем метрологiчного забезпечення у сферi вiзуaлiзaцil та цифрово! обробки зображень.
Окремим питаниям стштъ обчислення компонента невизнaченостi оцiнки геометричних розмiрiв та розрахунок методичних складових невизначеносл для широко розповсюджених методiв обробки зображень, наприклад, фшьтраци. Зпдно з даиими, наведеними у роботi [4], вщносна методична похибка методу низькочастотно! фшьтраци не перевищуе 10%, ввдносна похибка визначения положения реального максимуму штенсивносп свгглово! плями - 7%, при використанш методу низькочастотно! фшьтраци можливо забезпечення видiления фрaгментiв зображення з ввдносною методичною похибкою на рiвнi 6%.
У пaтентi [5] запропонований спосiб дiaгностики, засноваиий на фжсацп та спiвстaвленнi структур газорозрядного випромiнювaния навколо еталонного та дослвджуваиого об'ектiв в електромaгнiтному полi. Як тдкреслюе заявник, новизною розробки е використання небiологiчного еталонного об'екту з метою оцшки метрологiчних характеристик приладу. При цьому процедура вимiрювaиия полягае у багатократнш фжсацп структури газорозрядного випромшювання навколо еталонного об'екту з небюлопчного мaтерiaлу. Нaдaлi оцiнюеться ввдносне вiдхиления значень в ряду вимiряних к1льк1сних геометричних пaрaметрiв. Якщо вщносне в1дхиления не перевищуе порогу 10%, то результати вважаються зaдовiльними.
Таким чином, наявш окремi результати оцшки метролопчних характеристик при aнaлiзi зображень, але вщсутне формуваиия загального тдходу до синтезу метрологiчного забезпечения обробки вимiрювaльноl iнформaцil вiзуaльного характеру.
Метою статт е розробка метрологiчного забезпечення спектрального aиaлiзу зображень газорозрядного випромшювання, зокрема дослщження точностi вiдтворення параметру просторова частота при аналого-цифровому перетворенш зображень.
Основна частина. При використанш зображень у якосп вимiрювaльноl шформацп необхiдно оцiнити метрологiчнi характеристики на дешлькох етапах, зокрема, при отриманш, збереженнi, обробцi та перетвореннi зображень. Безпосередньо сам процес реестрацй' зображень вимагае оцiнки невизнaченостi вимiрювaиь, яка на даному етaпi обумовлюеться роздшьною здaтнiстю використано! апаратури. З метролопчно! точки зору до необх1дно! кшькосп пiкселiв висуваеться
вимога, аналопчна умовi до кроку дискретизаци сигналу: якщо кiлькостi пiкселiв достатньо, щоб задовольнити критерiям Найквiсту, то отримане у результатi аналого-цифрового перетворення зображення вважаеться задовiльним представленням реального об'екту спостереження [6].
Розглянемо конкретний приклад, який наявно демонструе проблеми синтезу метролопчного забезпечення методу вимiрювань, заснованому на реестрацп та аналiзi зображень. Метод реестрацп газорозрядного випромiнювання об'екпв, що виникае у результатi зовшшнього впливу у виглядi iмпульсного електромагнггаого поля, знайшов застосування у рiзних галузях - ввд медично! дiагностики до неруйнiвного контролю [7 -10]. Незважаючи на велику шльшсть та рiзноманiття дослiджуваних об'ектiв при застосуванш методу, його розповсюдження суттево гальмуеться вiдсутнiстю стандартизованих методик формування та обробки результатiв вимiрювань у виглядi вiзуальних даних.
У рамках дано! роботи розглядаеться модифiкацiя методу, що полягае у реестрацп зображень газорозрядного випромiнювання на фотоматерiалi в моноiмпульсному режимi, з подальшою оцифровкою зображення з використанням сканеру з високою роздшьною здатнiстю. Стандартному аналiзу роздшьно! здатностi сканерiв та оцшщ виникаючих похибок присвячено ряд робгт [12 - 15]. Розглянутi методи розрахунку похибок аналого-цифрового перетворення зображень виявляються корисними у тому раз^ коли параметризацiя вимiрювальних даних у виглядi зображень передбачае оцiнку геометричних характеристик об'ектiв.
У рамках дано! роботи спробуемо пiдiйти до синтезу метролопчного забезпечення методiв аналiзу оцифрованих зображень дещо з iншого боку. Розроблений шдхвд було обумовлено колом завдань, як1 вирiшувалися методом реестрацп газорозрядного випромiнювання крапель рiдини з метою дослщження властивостей води та водних розчишв [16 - 20]. Уи методи, запропонованi у вказаних роботах, грунтуються на спектральному аналiзi зображень.
З точки зору цифрово! обробки даних спектральний аналiз може бути застосований як до сигнал1в, що змшюються у часi, так i до функцiй просторових параметрiв. У тому випадку, коли ми маемо справу з необхщшстю розробки метрологiчного забезпечення при аналiзi вимiрювальноl шформаци у виглядi зображень, виявляються додатковi проблеми з вiдсутнiстю стандартизованих методик виршення такого класу задач.
Зокрема, фактично усi параметри зображення необхiдно розглядати як функцп такого параметру як координата. Спроба використання пiдходiв частотного аналiзу зображень призводить до необхвдносп
введення пapaметpy пpoстopoвa частота. Пpoстopoвa частота e aнaлoгoм чaстoти пpи змiнi сигналу у чай, але e фyнкцieю кoopдинaти. В oптицi пpoстopoвa частота викopистoвyeться для oцiнки якoстi omn^m пpилaдiв aбo систем пеpедaчi iнфopмaцiï пpo oб'eкт. Рoзмipнiстю пpoстopoвoï частоти e м-1. Фiзичний сенс пapaметpy "пpoстopoвa чaстoтa" мoжнa пoяснити з викopистaнням гapмoнiйнoï пеpioдичнoï pешiтки фис. 1, а), щo aнaлiтичнo oписyeться наступним чинoм
I ( x& ) = A cos^ 2л
де x@ - пpoстopoвa кoopдинaтa; © - кут opiem^iï зoбpaження; A -aмплiтyдa; z - здвиг; T - œp^.
Для випадку дифpaкцiйнoï pешiтки, яка e класичним випaдкoм oднoвимipнoгo пpoпyскaючoгo oптичнoгo oб'eктy, aнaлiтичнo фyнкцiя ^o^^aura oписyeться наступним чинoм [21]
2 n
т© = то +т-cos — ^
де т - амплиуда змiни пpoпyскaння; Е, - кoopдинaтa у плoщинi oб'eктy; т0 - сеpеднe aмплiтyдне пpoпyскaння.
Якщo узагальнити виклaденi вiдoмoстi для двoвимipнoгo випадку, тo oб'eкт слiд poзглядaти як pезyльтaт накладання синyсoïдниx pешiтoк з дoвiльнoю opieнтaцieю.
Рoзпoдiл голю u(x, y) для двoвимipнoгo випадку за пеpеpiзoм свiтлoвoгo пучку мoжнa записати aнaлiтичнo з викopистaнням Фyp'e-oбpaзy F( fx, f ) цьoгo poзпoдiлy [22]:
u(x, y) = \\ F (fx, fy )exp[2 ni(fxX + fyy)] dfxdfy, F(fx, fy) = Лu(xy)exP[-2ni(fxx + fyy)] dxdy,
де fx - пpoстopoвa чaстoтa за вiссю абсцис, f - пpoстopoвa чaстoтa за
вюсю opдинaт. Оскiльки "класичний" спектpaльний aнaлiз на бaзi пеpетвopення Фyp'e xapaктеpизyeться низкoю oбмежень, зoкpемa "poзмaзyвaння" спек^у за чaстoтнoю вiссю у paßi сплескiв сигналу, тo для aнaлiзy зoбpaжень гaзopoзpяднoгo випpoмiнювaння бyлo зaстoсoвaнo математичний aпapaт вейвлет-пеpетвopення [1S, 20].
15S
ц
Рис. Перюдичш решики: а - гармоншна, б - дискретна
Результати та Тх обговорення. З метою оцшки характеристик точносп вимiрювань при розробщ метрологiчного забезпечення аналiзу вiзуально! шформацп зазвичай використовують дискретнi форми перюдичних решiток (рис. б). Процедуру оцшки точносп процедури аналого-цифрового перетворення з використанням сканеру планшетного типу розглянемо на конкретному прикладi. У якосп тестового об'екту було використано зображення вертикально! та горизонтально! решггки з шагом 1 мм та товщиною чорних смуг 0,1 мм. Для комп'ютерного анал1зу розроблено прикладне програмне забезпечення для виводу на екран зображення тест-об'екту, профiлю яскравосп пiкселiв та детектор гармонiк.
Визначення гармонiйного складу тест-об'eктiв здiйснювалося на основi анал1зу одновимiрного сигналу за профшем яскравостi пiкселiв. У даному випадку профiль будувався як центральний перетин зображення в обраному користувачем напрямку.
Сканування здшснювалося при роздiльнiй здатностi сканеру 600 dpi, що вiдповiдаe величинi 600 лшш / 1 дюйм. Вщомо, що 1 дюйм = 25,4 мм.
б
а
Таким чином, переходячи до мм: 600/25,4 = 23,6 лшй/мм, що ввдповщае
просторовш частот fx = = 0,0423728 мм-1 = 42,3728 -10-3 мм-.
23,6
Осшльки для тест-об'eктiв шаг йтки дорiвнював 1 мм, то обчислене число i е дiйсним значениям просторово! частоти.
Обчислюемо ввдхиления значень просторових частот, знайдених експериментальним шляхом, у вщноснш формi ввд дшсного значення:
а) для горизонтальних смуг
4 = f'Lf -100% = 412941 -10" - 42,3728-10 3 -100% = -0,18573%; f0 42,3728 -10-3
б) для вертикальних смуг
¿% = -100% = 42,2463-10-3 - 42,3728-10-3 -100% = -0,29854%.
f0 42,3728 -10-3
Можиа зробити висновок, про високу точнiсть вiдтворения параметру "просторова частота". При роздiльнiй здатносп сканеру не менш, нiж 600 dpi, невизначенють вимiрювального аналого-цифрового перетворення не перевищуе 0,3%.
Висновки. На сучасному етапi розвитку шформацшно-вимiрювальних техиологiй вiзуалiзацiя перетворилася на невщ'емну складову частину метролопчно1 практики, що забезпечуе найбiльш повне джерело яшсно! та кшьшсно1 шформаци про об'ект дослщжения. Комп'ютеризованi та iнтелектуальнi засоби вимiрювань грунтуються на основi вiзуальноl шформаци. Актуальною задачею виявляеться розробка метролопчного забезпечення методiв вимiрюваиь, заснованих на реестраци та отримаинi шформаци вiзуального характеру.
У роботi наведено конкретш приклади застосувания параметру "просторова частота" при вилученш вишрювально1 шформаци з зображень, к1льк1сно оцiнено метролопчш характеристики аналого-цифрового перетворения тест-об'екпв з використаииям сканеру. Встановлено, що точнють вiдтворения та визначения просторово1 частоти цифрових зображень з використаииям детектору гармошк достатньо висока.
Список л1тератури: 1. Mora-González M. Image Processing for Optical Metrology / M. Mora-González, J. Muñoz-Maciel, F.J. Casillas, F.G. Peña-Lecona, R. Chiu-Zarate. - Rijeka, Croatia, 2011. - 564 p. 2. Никитаев В.Г. Автоматизированные системы обработки изображений для металлографического контроля компонентов твэлов ядерных реакторов: автореф. дисс. на соискание научн. степени докт. техн. наук: спец. 01.04.01 / В.Г. Никитаев. - М., 1999. -
48 с. 3. Кондратов В.Т. Визуализация в метрологии: уровни, направления, цели, задачи, методы и программное обеспечение / В.Т. Кондратов // Вимiрювальна та обчислювальна техшка в технолопчних процесах. - 2011. - № 1. - С. 7-21. 4. Бшинський Й.Й. Методи обробки зображень в комп'ютеризованих оптико-електронних системах / Й.Й. Бшинський. -Вшниця: ВНТУ, 2010. - 272 с. 5. Патент на изобретение 2377951 Росии МПК А 61 В 5/05. Способ определения состояния биологического объекта и устройство для его реализации / К.Г. Коротков, Р.Р. Юсубов. - Заявл. 04.01.2008. Опубл. 10.01.2010. - Бюл. № 1. 6. Oppenheim A.V. Signasl and Systems, 2nd ed. /A.V. Oppenheim, A.S. Willsky, S.H. Nawab. -New Jersey, USA: Prentice Hall Inc. -1997. - 582 р. 7. Коротков К.Г. Основы ГРВ биоэлектрографии / К.Г. Коротков. - СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2001. - 360 с. 8. Романий С. Ф. Неразрушающий контроль материалов по методу Кирлиана / С.Ф. Романий, З.Д. Черный. - Днепропетровск: Изд-во ДГУ, 1991. - 144 с. 9. Ignatov I. Origin of Life and Living Matter in Hot Mineral Water / I. Ignatov, O. V. Mosin // Advances in Physics Theories and Applications. - 2015. - Vol. 39. - P. 1-22. 10. Skarja M. Indirect instrumental detection of ultraweak, presumably electromagnetic radiation from organism /M. Skarja, M. Berden, I. Jerman // Electro and Magnitobiology. - 1997. - Vol. 16. - №. 3. -P. 249-258. 11. Бондарев В. Кирлиан-фотография цифровая и традиционная. Некоторые специфические моменты [Електронний ресурс] / В. Бондарев. Режим доступу: http://www.vadimbo.narod.ru/GDV.htm. 12. Атавин Е.Г. Анализ метрологических характеристик сканера / Е.Г. Атавин // Вестник Омского ун-та, 2002. - № 2. - С. 35-40. 13. Дамдинова Т.Ц. Способы формирования цифровых изображений и анализ их погрешностей / Т.Ц. Дамдинова // Вопросы кибербезопасности. - 2014. - № 5 (8). - С. 4346. 14. Polo M. Estimating the Uncertainty of Terrestrial Laser Scanner Measurements / M. Polo, A.M. Felicisim, A.G. Villanueva, J. Martinez-del-Pozo // Geoscience and Remote Sensing, 2014. -№.50. - Issue 11. - P. 4804-4808. 15. J. de Vicente. Uncertainty in ellipse fitting using a flatbed scanner: development and experimental verification / J. de Vicente, A.M. Sánchez-Perez, M. Berzal, P. Maresca, E. Gómez // Measurement Science and Technology. - 2013. - Vol. 25. -№.1. - P. 79-85. 16. Глухова Н.В. Автоматизация обработки изображений излучения жидкофазных объектов с использованием методологии фликкер-шумовой спектроскопи / Н.В. Глухова, В.И. Корсун, Л.А. Песоцкая // Метролопя та прилади. - 2013. - № 2 (40). -С. 59-63. 17. Глухова Н.В. Розробка методу експрес-оцшки бюлопчних властивостей води / Н.В. Глухова // Схщно-европейський журнал передових технологш. - 2014. - № 6/5 (72). -С. 18-25. 18. Глухова Н.В. Методи реестраци та вейвлет-анашзу зображень газорозрядного випромшювання / Н.В. Глухова, Л.А. Шсоцька // Системи обробки шформацп. - 2015. - № 1 (126). - С. 16-19. 19. Глухова Н.В. Метод визначення ступеня когерентносп води з використанням методологи флжкер-шумово! спектроскоп^ / Н.В. Глухова, Л.А. Песоцкая // Системи обробки шформацп. - 2015. - № 5 (130). - С. 167-171. 20. Глухова Н.В. Применение вейвлет-пакетов для обработки изображений газоразрядного излучения / Н.В. Глухова // International Scientific and Practical Conference World Science: Modern Scinetific Achievements and Their Practical Application. - Issue N. 2. - UAE. - Dubai. - 2022 october 2014. - P. 21-24. 21. Энциклопедия физики и техники. [Електронний ресурс]. Режим доступу: http://femto.com.ua/articles/part_2/3141.html. 22. Дуда Р. Распознавание образов и анализ сцен / Р. Дуда, П. Харт. - М.: Мир, 1976. - 509 с.
Bibliography (transliterated): 1. Mora-González M. Image Processing for Optical Metrology / M. Mora-González, J. Muñoz-Maciel, F. J. Casillas, F. G. Peña-Lecona, R. Chiu-Zarate. -Rijeka, Croatia, 2011. - 564 p. 2. Nikitaev V.G. Avtomatizirovannye sistemy obrabotki izobrazhenij dlja metallograficheskogo kontrolja komponentov tvjelov jadernyh reaktorov: avtoref. diss. na soiskanie nauchn. stepeni dokt. tehn. nauk: spec. 01.04.01 / V.G. Nikitaev. - M.: 1999. -48 p. 3. Kondratov V.T. Vizualizacija v metrologii: urovni, napravlenija, celi, zadachi, metody i programmnoe obespechenie / V.T. Kondratov // Vimirjuval'na ta obchisljuval'na tehnika v tehnologichnih procesah. - 2011. - № 1.- P. 7-21. 4. Bilins'kij J.J. Metody obrobki zobrazhen' v
komp'juterizovanih optiko-elektronnih sistemah / J.J. Bilins'kij. - Vinnicja: VNTU, 2010. - 272 p. 5. Patent na izobretenie 2377951 Rosii MPK A 61 V 5/05. Sposob opredelenija sostojanija biologicheskogo ob"ekta i ustrojstvo dlja ego realizacii / K.G. Korotkov, R.R. Jusubov. - Zajavl. 04.01.2008. Opubl. 10.01.2010. - Bjul. No 1. 6. Oppenheim A.V. Signasl and Systems, 2nd ed. /A.V. Oppenheim, A.S. Willsky, S.H. Nawab - New Jersey, USA: Prentice Hall Inc., 1997, 582 р. 7. Korotkov K.G. Osnovy GRV biojelektrografii / K.G. Korotkov. - SPb.: SPbGITMO (TU), 2001. - 360 p. 8. Romanij S.F. Nerazrushajushhij kontrol' materialov po metodu Kirliana / S.F. Romanij, Z.D. Chernyj. - Dnepropetrovsk: izd-vo DGU, 1991. - 144 p. 9. Ignatov I. Origin of Life and Living Matter in Hot Mineral Water / I. Ignatov, O. V. Mosin // Advances in Physics Theories and Applications, 2015. - Vol. 39. - Р. 1-22. 10. Skarja M. Indirect instrumental detection of ultraweak, presumably electromagnetic radiation from organism / M. Skarja, M. Berden, I. Jerman // Electro and Magnitobiology, 1997. - Vol. 16. - №. 3. - Р. 249-258. 11. Bondarev V. Kirlian-fotografija cifrovaja i tradicionnaja. Nekotorye specificheskie momenty / V. Bondarev. Available at: http://www.vadimbo.narod.ru/GDV.htm. 12. Atavin E.G. Analiz metrologicheskih harakteristik skanera / E.G. Atavin // Vestnik Omskogo un-ta, 2002. - N° 2. - P. 35-40. 13. Damdinova T.C. Sposoby formirovanija cifrovyh izobrazhenij i analiz ih pogreshnostej / T.C. Damdinova // Voprosy kiberbezopasnosti, 2014. - № 5 (8). - P. 43-46. 14. PoloM. Estimating the Uncertainty of Terrestrial Laser Scanner Measurements / M. Polo, A.M. Felicisim, A.G. Villanueva, J. Martinez-del-Pozo // Geoscience and Remote Sensing, 2014. - №.50. - Issue 11. - Р. 48044808. 15. J. de Vicente. Uncertainty in ellipse fitting using a flatbed scanner: development and experimental verification / J. de Vicente, A. M. Sánchez-Perez, M. Berzal, P. Maresca, E. Gómez. // Measurement Science and Technology, 2013. - Vol. 25. - № .1. - Р. 79-85. 16. GlukhovaN.V. Avtomatizacija obrabotki izobrazhenij izluchenija zhidkofaznyh ob"ektov s ispol'zovaniem metodologii flikker-shumovoj spektroskopi / N.V. Glukhova, V.I. Korsun, L.A. Pesockaja // Metrologija ta prylady. - № 2 (40). - 2013. - Р. 59-63. 17. Glukhova N.V. Rozrobka metodu ekspres-ocinky biologichnyh vlastivostej vody / N.V. Glukhova // Shidno-evropejs'kij zhurnal peredovyh tehnologij. - № 6/5 (72). - 2014. - Р. 18-25. 18. Glukhova N.V. Metody reyestraciyi ta vejvlet-analizu zobrazhen" hazorozryadnoho vyprominyuvannya / N.V. Glukhova, L.A. Pesockaja // Systemy obrobky informaciyi. - № 1 (126). - 2015. - Р. 16-19. 19. Glukhova N.V. Metod vyznachennya stupenya koherentnosti vody z vykorystannyam metodolohiyi flikker-shumovoyi spektroskopiyi / N. V. Glukhova, L.A. Pesockaya // Systemy obrobky informaciyi. - № 5 (130) . -2015. - Р. 167-171. 20. Glukhova N.V. Primenenie vejvlet-paketov dlja obrabotki izobrazhenij gazorazrjadnogo izluchenija / N.V. Glukhova // International Scientific and Practical Conference World Science: Modern Scinetific Achievements and Their Practical Application. - 2014. - Issue 2. - UAE. - Р. 21-24. 21. Jenciklopedija fiziki i tehniki. Available at: http://femto.com.ua/articles/part_2/3141.html. 22. Duda R. Raspoznavanie obrazov i analiz scen / R. Duda, P. Hart. - M.: MIR, 1976. - 509 p.
Надшшла (received) 30.06.2015
Статтю представив д-р техн. наук, проф. ДВНЗ "НГУ" Корсун В.1. Glukhova Natalia, PhD Tech.
State Higher Educational Institution "National Mining University" Str. K. Marx 19, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49027 tel./phone: (068) 409-32-08, e-mail: GlNaVi@ukr.net ORCID 0000-0003-0817-5465
