Способ визуализации структуры газоразрядного свечения объекта в электромагнитном поле
Владельцы патента RU 2437132:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт промышленного телевидения "Растр" (RU)
Изобретение относится к телевидению и может быть использовано при создании систем телевизионной визуализации и анализа изображений газоразрядного свечения для биомедицинских исследований. Способ визуализации структуры газоразрядного свечения объекта в электромагнитном поле заключается в получении сигнала изображения матричным фотоприемником, преобразования его в цифровой код, запоминания и отображения на экране монитора. Воздействие электромагнитным полем осуществляют одиночными импульсами по окончанию гасящих импульсов кадра. Цифровые коды элементов кадра сравнивают с цифровыми кодами соответствующих элементов кадра, полученного в результате предыдущего сравнения, и формируют изображение газоразрядной структуры элементами с максимальными значениями цифровых кодов. Задачей изобретения является повышение качества изображения за счет снижения уровня шума в получаемом изображении структуры газоразрядного свечения. 3 ил.
Изобретение относится к телевидению и может быть использовано при создании систем телевизионной визуализации и анализа изображений газоразрядного свечения для биомедицинских исследований.
Известен способ регистрации свечения газа вокруг исследуемого объекта, заключающийся в получении изображения на фотопластинке во время воздействия на объект переменным электрическим полем высокой напряженности. Данный способ описан, например, в а.с. СССР №1377813, МКИ G03B 41/00, БИ №8, 1988 г. Недостатком способа является неудобство ввода изображения в ЭВМ для его дальнейшего анализа.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ телевизионной визуализации свечения газа вокруг объекта, заключающийся в запоминании в цифровом коде одного кадра видеопоследовательности, формируемой телевизионной камерой во время воздействия на объект пачкой импульсов электрического поля высокой напряженности. Данный способ описан, в частности, в патенте РФ №2141250, МКИ А61. При этом пачка импульсов действует внутри каждого кадра из кадров формируемой видеопоследовательности, а регистрируемое изображение представляет собой суперпозицию разрядных фигур (откликов), получаемых в результате воздействия во время кадра каждого из импульсов пачки (суперпозиция по времени кадра).
Недостатком данного способа является низкое качество получаемого изображения, обусловленное низким отношением сигнал-шум, которым характеризуются изображения видеопоследовательности.
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 снижения уровня шума в получаемом изображении структуры газоразрядного свечения.
Для решения поставленной задачи в способе визуализации структуры газоразрядного свечения объекта в электромагнитном поле, заключающемся в получении сигнала изображения матричным фотоприемником, преобразования его в цифровой код, запоминания и отображения на экране монитора, при этом воздействие электромагнитным полем осуществляют одиночными импульсами по окончанию гасящих импульсов кадра, а цифровые коды элементов кадра сравнивают с цифровыми кодами соответствующих элементов кадра, полученного в результате предыдущего сравнения, и формируют изображение газоразрядной структуры элементами с максимальными значениями цифровых кодов.
Технический результат настоящего технического решения заключается в получении изображения структур газоразрядного свечения высокого качества благодаря снижению уровня шума, т.е. увеличения отношения сигнал-шум, которое обеспечивается формированием изображения в виде суперпозиции разрядных фигур, получаемых в результате воздействия одиночных импульсов в нескольких следующих друг за другом кадрах видеопоследовательности (суперпозицией по множеству). При этом воздействующий импульс располагается «внутри» прямого хода развертки по кадру, например по окончанию кадрового гасящего импульса.
Процессы формирования газоразрядных фигур при равенстве числа импульсов в пачке, возбуждающей свечение во время одного телевизионного кадра, и числа кадров видеопоследовательности с одиночными возбуждающими импульсами могут быть отнесены к классу эргодических случайных процессов, для которых суперпозиция по времени соответствует суперпозиции по множеству.
Однако с точки зрения формирования выходного электрического сигнала и получаемого при этом отношения сигнал-шум предлагаемый способ, соответствующий суперпозиции по множеству, является более предпочтительным, поскольку обеспечивает более высокое качество изображения за счет уменьшения уровня шума.
Действительно, при суперпозиции по времени во время одного телевизионного кадра на сигнал дополнительно накладывается шум выходного устройства ПЗС-матрицы, которое является основным источником шума. При суперпозиции по множеству производится обработка кадров видеопоследовательности, содержащих изображения разрядных фигур, полученных от одиночных возбуждающих импульсов в соответствии со следующим выражением:
где i=1, 2…n, Ui - цифровые коды элементов (отсчеты яркости) текущего кадра, Ui-1 - цифровые коды элементов (отсчеты яркости) кадра, полученные при предыдущем сравнении, n - число кадров видеопоследовательности.
Таким образом, повышение отношения сигнал-шум обеспечивается последовательным поэлементным сравнением очередного кадра видеопоследовательности с результатом предыдущего сравнения и выбором максимального из сравниваемых отсчетов яркости в качестве результирующего. При первом цикле сравнения (первый кадр, i=1) предыдущий результат сравнения Ui-1=U0 принимают равным нулю.
Практическая достижимость результата по предлагаемому способу проиллюстрирована на фиг.1 и фиг.2. На фиг.1 представлены изображения 1-9 видеопоследовательности, полученные при возбуждении свечения одиночным импульсом, и результат их суперпозиции -10 в соответствии с выражением (1). Как видно из чертежа, предлагаемый способ позволяет сохранить в результирующем изображении все особенности структуры каждого отдельного отклика.
На фиг.2 представлены профилограммы, характеризующие разброс значений яркости в изображении равномерного фона вдоль выделенной линии (дисперсию шума) в одиночном - а) кадре видеопоследовательности и в обработанном - б) в соответствии с выражением (1). Как видно из чертежа, дисперсия шума в обработанном изображении существенно меньше, чем в одиночном кадре видеопоследовательности. Таким образом, предлагаемый способ визуализации обеспечивает получение изображения суперпозиции откликов на каждое единичное воздействие (импульс) при одновременном повышении качества изображения за счет снижения в нем уровня шума.
Технические решения, содержащие совокупность признаков, идентичных признакам изобретения, не выявлены, что определяет соответствие изобретения критерию «новизна».
Заявителем не выявлены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии отличительных признаков на достигаемый результат, что свидетельствует о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».
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 (КГИ), 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, SnO2 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, выходной электрический сигнал 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 выражением (1) 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 С++. Таким образом, для реализации данного способа применены известные материалы и оборудование, что обуславливает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».
Способ визуализации структуры газоразрядного свечения объекта в электромагнитном поле, заключающийся в получении сигнала изображения матричным фотоприемником, преобразования его в цифровой код, запоминания и отображения на экране монитора, отличающийся тем, что воздействие электромагнитным полем осуществляют одиночными импульсами по окончанию гасящих импульсов кадра, а цифровые коды элементов кадра сравнивают с цифровыми кодами соответствующих элементов кадра, полученного в результате предыдущего сравнения, и формируют изображение газоразрядной структуры элементами с максимальными значениями цифровых кодов.
