Способ обработки изображений спекл-структур от рассеянного лазерного излучения на ориентированных в магнитном поле наночастицах феррожидкости
METHOD FOR PROCESSING IMAGES OF SPECKLE STRUCTURES FROM SCATTERED LASER RADIATION ON FERROFLUID NANOPARTICLES ORIENTED IN A MAGNETIC FIELD

Способ обработки изображений спекл-структур от рассеянного лазерного излучения на ориентированных в магнитном поле наночастицах
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам и устройствам для контроля параметров магнитного поля в различных магнитных системах, в зоне магнитных аномалий для поиска полезных ископаемых, а также к низкочастотным оптическим коммутационным элементам, которые обладают повышенной устойчивостью к различным негативным внешним воздействиям. Оптическое изображение, сформированное от спекл-структур наночастиц феррожидкости, размещенной в магнитном поле, как в прошедшем, так и отраженном лазерном излучении от спекл-структур, содержит информацию о различных параметрах магнитного поля (величине индукции, однородности, плотности силовых линий и т.д.). Обработка данных изображений дает возможность расшифровать, содержащуюся в изображениях спекл-структур информацию. При расшифровке информации, содержащейся в изображениях, необходимо учитывать ряд особенностей, связанных как с проведением самих измерений, с условиями регистрации и вариациями магнитного поля. От этого зависит точность полученных результатов и качество картины структуры силовых линий магнитного поля. В процессе измерения исключен контакт измерительных элементов измерительного устройства с объектом, который создает магнитное поле, что позволяет проводить исследования на определенном расстоянии, например, от зоны действия сильного неоднородного магнитного поля. Измерительные элементы, используемые в данном методе, не вносят изменений в структуру магнитного поля объекта.
Сущность метода заключается в том, что регистрация сигнала происходит от лазерного излучения, рассеянного или отражённого от спекл-структур, состоящих из наночастиц феррожидкости. Спекл-структуры располагаются в зоне силовых линий магнитного поля и отображают её структуру, особенно если магнитное поле однородно. В этом случае спекл структуры обладают определенной периодичностью (чередование зон с прозрачными и непрозрачными слоями для лазерного излучения). В месте размещения камеры для регистрации изображений формируется подобие дифракционной картины, в которой содержаться максимумы и минимумы. Данные максимумы и минимумы в силу особенностей регистрации содержат различные световые засветки и шумы. Выбор строки, зоны обработки с определенным размером и числом пикселей, сравнение полученного изображения с изображениями в расположенных рядом зонах, перекодировка сигналов позволяет существенно снизить влияние паразитных световых шумов, возникающих дополнительных отражений на шероховатостях спекл-структур и засветок на изображение спекл-структур. В результате этого после обработки на экране компьютера, формируется контрастное изображение, представляющее собой подобие дифракционной картины с наличием выраженных максимумов и минимумов.
Для обработки изображений спекл-структур разработано большое число методов. За прототип выбран способ обработки изображений от спекл-структур для определения подлинности защитных голограмм в режиме экспресс-контроля (патент RU 139535 U1, опубликовано: 20.04.2014). Задачей данного способа, наиболее близкой к предложенному способу, является выделение части дифракционного изображения в отраженном свете при его перемещении в пространстве и сравнение его с дифракционной картиной, полученной от первоначальной структуры объекта до начала движения. К недостаткам данного способа можно отнести, то, что сравнение смещения изображений на голограмме происходит в основном визуально в естественном свете. Для проведения измерения смещения изображения, необходимо проводить эксперименты в стационарной лаборатории с использованием сложных алгоритмов вычисления на основе решения разностных уравнений для системы уравнений Максвелла. При этом надо с высокой точностью определять расстояние, на которое было проведено перемещение голограммы и углы поворота её относительно падающего света. Все это не позволяет после обработки изображений спекл-структур построить большое непрерывное пространственное изображения, например, распределения магнитного поля между полюсами магнитной системы, что является одной из задач, на которое направлено предлагаемое нами изобретение.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое нами изобретение, являются увеличение мобильности, повышение точности и расширение функциональных возможностей по регистрации изображений спекл-структур, связанных с обеспечением контроля изменения структуры магнитного поля в заданной области пространства под действием различных факторов. Особенно большие сложности возникают при исследовании пространственной структуры силовых линий магнитного поля в межполюсном пространстве магнитных систем различной конфигурации с высоким значением индукции. В этих случаях разработанные ранее методы с использованием магнитных пленок, опилок, системы из датчиков Холла использовать крайне сложно.
Способ иллюстрируется следующими изображениями:
Фиг. 1 Изображение распределения наночастиц феррожидкости в ячейки в отсутствии магнитного поля.
Фиг. 2 Изображение распределения наночастиц феррожидкости в ячейки при однородном магнитном поле.
Фиг. 3 Экспериментальная установка для регистрации изображений спекл структур наночастиц в прошедшем и отраженном лазерном излучении.
Фиг. 4 Камера Logitech C920
Фиг. 5 Изображение, полученное с web камеры с использованием автофокусировки
Фиг. 6 Изображение, полученное с использованием только матрицы
web - камеры
Фиг. 7 Регулировка контрастности, яркости и гаммы входного изображения: (a) - исходное изображение, (b) - обработанное изображение
Фиг. 8 Регулировка уровней RGB каналов: (a) - исходное изображение, (b) - обработанное изображение
Фиг. 9 Регулировка кривых RGB каналов: (a) - исходное изображение, (b) - обработанное
Фиг. 10 Изображение спекл структур после обработки.
Фиг. 11 Изображение спекл-структур от прошедшего через феррожидкость, размещенную в ячейки, лазерного излучения: а) - соответствует однородному магнитному полю; b) - неоднородному магнитному полю.
Фиг. 12 Изображение спекл-структур от отраженного от феррожидкости, размещенной в ячейке, лазерного излучения: а) - соответствует магнитному полю с невысокой степенью неоднородности; b) - магнитному полю с высокой степенью неоднородности.
Для исследования структуры силовых линий магнитного поля в межполюсном пространстве магнитной системы наиболее целесообразно использовать лазерное излучение и ячейки прямоугольной формы с феррожидкостью. Данная ячейка может размещаться как между полюсами магнитной системы, так и рядом с магнитной системой различной конфигурации. Под действием магнитного поля ферромагнитные наночастицы (в феррожидкость состоит из частиц магнетита с размером от 12 до 14 нм или гематита размером от 13 до 16 нм) намагничиваются и размещаются в зонах силовых линий магнитного поля. Чем меньше размер ферромагнитных наночастиц, тем более четче будет воспроизводится ими структура силовых линий магнитного поля. Кроме того, в случае очень высокой плотности силовых линий, использование маленьких частиц позволяет исключить «слипание» силовых линий и образование сгустков по сравнению со случаем использования железных опилок. На фиг. 1 и 2 представлены изображения силовых линий, на которых размещены наночастиц феррожидкости, полученные с использование микроскопа.
Анализ полученных изображений позволяет сделать вывод, что в случае однородного магнитного поля происходит распределение наночастиц в феррожидкости в определенной периодической последовательности (с образованием прозрачных и непрозрачных зон для лазерного излучения). Это позволяет использовать для исследования распределения структуры магнитного поля изображения спекл-структур от рассеянного лазерного излучения на наночастицах прошедшего через ячейку или отраженного от наночастиц феррожидкости.
На фиг. 3 представлена структурная схема экспериментальной установки для регистрации изображений спекл-структур наночастиц от прошедшего и отраженного лазерного излучения через ячейку с феррожидкостью. Экспериментальная установка состоит из следующих компонентов:
1. Полупроводниковый лазер на гетероструктурах с λ = 632.8 нм, с длиной поперечной пространственной когерентности Ltk = 10 мм, углом расходимости излучения θ ≈ 0.02 мрад для создания когерентного, монохрамитического излучения;
2. Оптическая система (поляризатор) для управления интенсивностью лазерного излучения;
3. Фокусирующая линза с фокусным расстоянием 20 см;
4. Ячейка с плоскими гранями с феррожидкостью, состоящей из водного раствора магнетита с объемной концентрацией 0.025 и поверхностно активным веществом - олеиновая кислота;
5. Диафрагма с фокусирующей линзой. Диафрагма предназначена для ограничения попадания на фоточувствительный слой камеры паразитных многократно отраженных изображений лазерного излучения;
6. Видео камера Logitech C920 для регистрации изображений спекл-структуры;
7. Ноутбук для обработки регистрируемых изображений спекл-структуры отраженного и прошедшего лазерного излучения и для определения необходимых операции по подстройки оптической системы по максимуму контраста.
Явлениями, связанными с неоднократным отражением лазерного излучения в стенках кюветы, а также от феррожидкости со стенками кюветы, пренебрегаем, в силу малости интенсивности отраженного лазерного излучения, так как ячейка изготовлена из кварцевого стекла с показателем преломления 1.46. Расстояние между лазером и ячейкой при проведении регистраций изображений составляло 30 см, расстояние между ячейкой и видеокамерой - 60 см. Весь размер экспериментальной установки не превышал 120 см. Для регистрации изображений использовалась камера logitech c920 c максимальной частота кадров - 30 Гц, разрешающая способность матрицы - 1920x1080 (фиг. 4). Для исключения различных явлений, связанных с многократным отражением лазерного излучения, камера подверглась модификации. С камеры были сняты все оптические линзы, которые формировали переотражения и блики. Также было установлено, что использование автофокусировки в камере приводит к захвату всех изображений. На фиг. 5 представлена регистрируемое изображение с использованием автофокусировки. Установлено, что положение дифракционных максимумов и минимумов спекл-изображений расплывается и измерения проводить невозможно. Поэтому из камеры logitech c920 (фиг. 4) был удален автофокусирующий элемент. Это позволило получить следующее изображение (фиг. 6). Анализ этого изображения показывает, что его необходимо обработать для получения необходимого контрастного изображения на экране монитора компьютера, используя которое позволит определить порядок дифракции.
В настоящее время существует огромное количество моделей мониторов от различных производителей. Мониторы существенно различаются. Это создает проблемы при воспроизведении зарегистрированных изображений спекл-структур при подключении системы регистрации сигнала к различным компьютерам. Поэтому нами был разработан способ обработки изображений с использованием единой системы цветовых пространств RGB (red, green, blue). Данная система представляет собой куб с гранями 1x1x1. Каждая грань представляется в виде октета (28) и может иметь 256 значений интенсивности, где 0 - минимум, а 255 - максимум.
Результаты экспериментов показали, что входное изображение получается неточным в связи с присутствием BG каналов, которые имеют каждый свою цветовую гистограмму. В данном случае присутствие BG интенсивности является побочным эффектом в связи с тем, что компьютер аппаратно пытается достроить входную картинку для лучшего восприятия ее глазом. Вследствие этого появляется большое количество шумов, которые существенно влияют на визуализацию магнитного поля через значение интенсивности входного излучения. Для получения более точной информации об интенсивности следует выравнивать яркость, контрастность, гамму и оттенок до среднего значения. На фиг. 7 представлены результаты данной обработки изображения.
Полученные результаты показали, что этого бывает недостаточно, в регистрируемом изображении остается еще большое количеством шумов (фиг. 8.а). Поэтому в разработанном способе используется регулировка RGB каналов. Это позволяет существенно улучшить изображение (фиг. 8.b)
При использовании в экспериментах лазерного излучения с большой интенсивностью в случаях исследованиях небольших вариаций магнитных полей (близких к магнитному полю Земли) шумы в регистрируемом изображении остаются (фиг. 9.а). Поэтому в разработанном способе применяется регулировка кривых RGB каналов, которая позволяет сделать несущественным влияние шумов, связанных с аппаратным достроением компьютера по G и B каналам на изображение от пекл структур (фиг. 9.b). Заключительным этапом обработки в разработанном способе является выбор интенсивности цветового излучения от порядкового номера пикселя. Это позволяет получить контрастное изображение спекл-структур для проведения исследований структуры магнитных полей.
Пример
На фиг. 10 представлен пример изображения спекл-структур после её обработки разработанным нами способом в случае размещения феррожидкости в ячейке в однородном магнитном поле.
Сравнение, полученных результатов с исследованиями структуры магнитного поля (фиг. 10) с использованием микроскопа и камеры подтверждают работоспособность предложенного способа обработки изображений спекл-структур, использование которого необходимо для исследования структуры силовых линий магнитного поля.
На фиг. 11 представлены изображения спекл-структур для различных случаев магнитного поля, в котором размещена ячейка с феррожидкостью. Изображение на фиг. 11.а соответствует случаю размещения феррожидкости в ячейки в однородном магнитном поле. Форма полос на изображении повторяется в определенной последовательности. В случае создания в зоне размещения феррожидкости в ячейке неоднородного магнитного поля вид и форма полос на регистрируемом изображении (фиг. 11.b) существенно изменяется.
На фиг. 12 представлены изображения спекл-структур от отраженного от феррожидкости, размещенной в ячейке, лазерного излучения для различной степени неоднородности магнитного поля.
Полученный результат на фиг. 12 показывает, что в изображении спекл-структур, полученном в отраженном излучении, также есть симметрия между полосами (фиг. 12.а) при слабой неоднородности магнитного поля. При ухудшении неоднородности магнитного поля данная симметрия нарушается (фиг. 12.b).
Анализ экспериментальных результатов исследования магнитных полей с использованием разработанного нами способа обработки изображений спекл-структур показал, что представленная информация об изображении спекл-структур позволяет реализовать выбор строки по высоте ячейке и построить распределение интенсивности. Это позволит определить положение максимумов и минимумов и оценить расстояние между силовыми линиями магнитного поля.
Кроме того, полученные нами экспериментальные результаты позволили установить еще одну особенность. Степень контраста изображения спекл-структур от прошедшего через феррожидкость лазерного излучения выше, чем в регистрируемом изображении спекл-структур в отраженном излучении. Поэтому в случае определения расстояния между силовыми линиями по регистрируемому изображению спекл-структур, точность измерений будет выше при использовании изображения от прошедшего через ячейку с феррожидкостью лазерного излучения.