СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ ГАЗОРАЗРЯДНОГО СВЕЧЕНИЯ ОБЪЕКТА
METHOD OF IMAGING STRUCTURE OF GAS-DISCHARGE FLUORESCENCE OF OBJECT

Изобретение относится к телевидению и может быть использовано при создании систем телевизионной визуализации и анализа изображений свечения газового разряда в процессе биомедицинских исследований.
Известен способ телевизионной визуализации структуры свечения газа, заключающийся в запоминании в цифровом коде одного кадра видеопоследовательности, формируемой телевизионной камерой. Данный способ описан, в частности, в патенте РФ №2141250 A61B 5/05. Недостатком данного способа является низкое качество получаемого изображения, обусловленное низким отношением сигнал-шум, которым характеризуются изображения видеопоследовательности.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ визуализации структуры газоразрядного свечения, заключающийся в получении последовательности кадров изображений матричным фотоприемником, преобразовании каждого кадра в цифровой код, сравнении с цифровыми кодами соответствующих элементов предыдущего кадра и формировании изображение газоразрядной структуры элементами с максимальными значениями цифровых кодов. Данный способ описан в способе по патенту №2437132 МПК G03B 41/00 на «Способ визуализации структуры газоразрядного свечения объекта в электромагнитном поле»).
Недостатком данного способа является наличие изменения средней яркости выходного изображения из-за увеличения его математического ожидания (среднего значения) после обработки видеопоследовательности. Кроме этого, повышение отношения сигнал-шум изображения при таком способе обработки видеопоследовательности также является недостаточным.
Основным источником шума является шум выходного устройства преобразователя «свет-сигнал» (матрицы ПЗС), который при достаточно слабом свечении объекта может частично или полностью маскировать полезный сигнал.
Задачей изобретения является повышение качества изображения за счет сохранения его средней яркости после обработки, а также за счет повышения отношения сигнал-шум, достигаемого путем более эффективного снижения уровня шума в получаемом изображении.
Для решения поставленной задачи в способе визуализации структуры газоразрядного свечения, заключающегося в получении сигнала изображения матричным фотоприемником, преобразовании его в цифровой код, сравнении цифровых кодов элементов кадра с цифровыми кодами соответствующих элементов кадра, полученного в результате предыдущего сравнения, вычислении максимальных значений цифровых кодов (максимизация) и формировании результирующего изображения для отображения на экране монитора, дополнительно при сравнении цифровых кодов определяют их минимальные значения (минимизация), а результирующее изображение формируют путем вычисления среднего арифметического из соответствующих максимальных и минимальных значений цифровых кодов.
Технический результат настоящего технического решения заключается в том, что при минимизации отсчетов яркости видеопоследовательности в силу симметричности распределения исходного гауссова шума происходит смещение математического ожидания в сторону его уменьшения на точно такую же величину, как и при максимизации. Однако, последующее усреднение максимальных и минимальных значений яркости соответствующих элементов компенсирует смещение математического ожидания, приводя его к исходному математическому ожиданию. При этом в результате такого усреднения одновременно происходит уменьшение среднеквадратического отклонения шума в  раз по отношению к среднеквадратическому отклонению шума, получаемому после максимизации.
При максимизации производится обработка кадров видеопоследовательности, содержащих изображения разрядных фигур, полученных от одиночных возбуждающих импульсов в соответствии со следующим выражением:
,
i
i-1
где i=1,2…n, U - цифровые коды элементов (отсчеты яркости) текущего кадра, U - цифровые коды элементов (отсчеты яркости) кадра, полученные при предыдущем сравнении, n - число кадров видеопоследовательности.
При минимизации производится обработка кадров видеопоследовательности, содержащих изображения разрядных фигур, полученных от одиночных возбуждающих импульсов в соответствии со следующим выражением:
.
i-1
0
Таким образом, сущность обработки по формулам (1) и (2) заключается в последовательном поэлементном сравнении очередного кадра видеопоследовательности с результатом предыдущего сравнения и выбором максимального и минимального из сравниваемых отсчетов яркости в качестве результирующего. При первом цикле сравнения (первый кадр, i=1) предыдущий результат сравнения U=U принимают равным нулю.
Результирующее изображение формируется путем усреднения соответствующих отсчетов яркости, получаемых по формулам (1) и (2), в соответствии со следующим выражением:
.
Практическая достижимость результата по предлагаемому способу проиллюстрирована на фиг.1 и 2. На фиг.1 представлены несколько изображений (фиг.1а) из видеопоследовательности, полученных при возбуждении свечения одиночным импульсом, и результирующее изображение (фиг.1б), полученное в соответствии с выражениями (1) - (3).
На фиг.2 представлены осцилограммы сигнала тестовых полос на равномерном фоне, характеризующие разброс значений яркости в изображении вдоль выделенной строки (дисперсию шума) в исходном одиночном кадре видеопоследовательности и в обработанном в соответствии с выражениями (1), (2) и (3). Как видно из фиг.2, дисперсия шума в изображении, обработанном путем комбинирования операций максимизации, минимизации и усреднения по выражениям (1)-(3), существенно меньше, чем в исходном одиночном кадре видеопоследовательности и в обработанном только путем максимизации по выражению (1). Из рисунка также видно, что в результате максимизации математическое ожидание смещается «вверх» от исходного значения, в результате минимизации математическое ожидание смещается «вниз» от исходного значения, а после комбинированной обработки по выражениям (1)-(3) среднее значение (математическое ожидание) математическое ожидание становится соответсвующим исходному значению.
Технические решения, содержащие совокупность признаков, идентичную признакам изобретения, не выявлены, что определяет соответствие изобретения критерию «новизна». Так, в частности, по сравнению с известным методом уменьшения шумов путем усреднения всех кадров видеопоследовательности, предлагаемый способ позволяет сохранить особенности структуры каждого отдельного кадра, в то время как усреднение изменяет яркость изображения вплоть до возможного полного подавления одиночных откликов, не повторяющихся в кадрах видеопоследовательности.
Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии отличительных признаков на достигаемый результат, что свидетельствует о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».
2
Структурная схема, реализующая данный способ, представлена на фиг.3. Способ осуществляется следующим образом. В генераторе 1 одиночные импульсы для возбуждения свечения формируют путем выделения заднего фронта (окончания) кадрового гасящего импульса, вырабатываемого синхрогенератором телевизионной камеры, и увеличения амплитуды возбуждающих импульсов до величины 10-20 кВ с использованием высоковольтного трансформатора. Импульсы высокого напряжения подают на электрод 2, выполненный из оптически прозрачного материала (например, SnO толщиной 200 мкм) и нанесенный на поверхность стеклянной пластины 3. При этом вокруг объекта 4, располагаемого на противоположной по отношению к электроду поверхности стеклянной пластины, возникает электромагнитное поле и вызываемое им свечение газа. В телевизионной камере 5, располагаемой со стороны электрода, оптическое изображение свечения посредством объектива переносится на матричный фотоприемник, электрический сигнал с которого поступает на стандартное устройство видеозаписи 6, подключаемое к персональному компьютеру 7 для преобразования в цифровой код, запоминания и отображения на экране компьютерного монитора 8.
Получаемые цифровые коды элементов кадров видеопоследовательности обрабатывают в компьютере программным путем в соответствии с выражениями (1)-(3) и получаемое результирующее изображение отображают на компьютерном мониторе.
В качестве матричного фотоприемника может быть использована практически любая ПЗС-камера стандартной чувствительности, в качестве устройства видеозаписи может быть использовано практически любое стандартное устройство, например, типа Aver EZ Capture фирмы Aver Media, подключаемое PCI- шине компьютера.
Результирующее изображение может быть получено, например, путем программирования в среде стандартного пакета MATLAB. Изображения, приведенные на фиг.1, получены, в частности, при помощи специальной программы MIXER, написанной в среде C++.
Таким образом, для реализации данного способа применены известные материалы и оборудование, что обуславливает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».