Білинський, Й.Й. Методи обробки зображень в комп’ютеризованих оптико-електронних системах: монографія

Подождите немного. Документ загружается.

канини, а також показник заломлення

n, то розрахувати інтегральні

коефіцієнти зворотного розсіювання, поглинання і пропускання, а та-

кож розподіл випромінювання як всередині, так і поза біотканиною,

стає реальною задачею [126, 256].

Розглянемо модель поширення світла, якщо біотканина з пока-

зником заломлення n перебуває під тиском Р і дотикається до прозо-

рої поверхні, що має показник заломлення

, наприклад, поверхні

скляної пластини, яка показана на рис. 5.17.

Рис. 5.17. Модель поширення світла при контакті біотканини

з поверхнею скляної пластини

Частина світла, що падає на біологічну тканину, відбивається від

її поверхні внаслідок зворотного розсіювання, а також завдяки більш

високому коефіцієнту заломлення

біотканини в порівнянні з показ-

ником заломлення

скляної пластини. У вікні прозорості шкіри в діа-

пазоні 600–1300 нм значення коефіцієнтів поглинання дерми і епідер-

місу на порядок більші від відповідних коефіцієнтів розсіювання.

У результаті дії тиску Р на біотканину коефіцієнти поглинання

та пропускання різко зменшуються до нуля, оскільки відбувається

ущільнення біотканини, але при цьому зростає коефіцієнт заломлення,

що при

Френеля для слабопоглинаючих речовин, якими є скло та

біоткан

зводить до зростання зворотного розсіювання. За допомогою

формули

ина, можна розрахувати коефіцієнти дзеркального відбиття

згідно з [123]

⎛⎞

−

⎜⎟

⎝⎠

, (5.24)

де

– відносний коефіцієнт заломлення двох середовищ.

190

Відбивна здатність біотканини при наближенні до нормального

падіння променів з урахуванням відбивної здатності скла визначається

як [131, 256]

c б c б

c б

rr rr

+ −

−

, (5.25)

де

– коефіцієнти дзеркального відбиття, відповідно,

скло/повітря, скло/біотканина.

Таким чином, світло, що падає під кутом близьким до 90

на

межу поділу фаз скло/повітря, а потім скло/біотканина, дає дві відбив-

ні хвилі. Інтенсивність результуючого відбивного світла обумовлена

коефіцієнтами заломлення трьох середовищ і відбивна здатність від-

битого світла для простої тришарової системи згідно з (5.25) та з

урахуванням (5.24) визначається рівнянням [257]:

22 2

001 01 0

)( )( )((6nn n n n n nn n−+−− −

22 2 2

( ))

()()()()

nnnn nn nn

−

++−− −

, (5.26)

удуть

заломл

нтаження з урахуванням ваги та тиску та реєструвати

його у гляді зміни розподілу інтенсивності зображення стопи [258].

На

стопі вибиралося ряд точок (близько 20) по всій довжині

стика для

бивної даних точок від навантаження. Такий підхід до-

зволив тримати просту залежність показника заломлення біотканини

01 0 0 01

де

– коефіцієнт заломлення біотканини;

– коефіцієнт заломлення

повітря, що знаходиться між склом т біотканиною;

– коефіцієнт

заломлення скла.

У результаті прикладання підошви стопи до пластини частина

променів, які будуть потрапляти на межу скло/стопа, частково б

юватись і частково відбиватись. Внаслідок дії тиску біотканина

підошви стопи буде ущільнюватися, що призведе до збільшення її по-

казника заломлення, а отже, до перерозподілу відбивної здатності ді-

лянок підошви стопи залежно від величини тиску навантаження.

Для реалізації такої залежності розроблена спеціальна установ-

ка, яка дозволила при зміні навантаження на стопу людини фіксувати

цю зміну нава

ви

стопи й будувалася характери кожної точки залежності від-

інтенсивності

від еличини тиску

191

(1 )

nn p

, (5.27)

де р – ск відповідноїти

точки стопи; α – коефіцієнт пропорційності.

урахуванням тиску, створюваного тілом людини на стопу

.27), отримаємо відбивну здатності біот

(5 канини

22 2 2

001 01 0 0

01 0

(1 ) ( ) ( )( (1 )(6 (1 )) )

()((1 )

bbb

pnnnnnpnnpn

nnn pn

αα

+− +−− + −+ −

+++

.(5.28)

2 22

0 01

( )

)((1 ))()

n n

n pn nn

−+−−

.2.2. Математична модель оптико-електронного сенсора

параметрів стопи людини

Оптична схема ОЕС розподілу навантаження на стопу наведена

ї п

Експериментальні дослідження підтвердили залежність відби-

вної здатності біотканиини від тиску, який спричиняє зміну показника

заломлення на ділянку стопи, що дозволило запропонувати оптико-

електронний сенсор (ОЕС) визначення зміни розподілу навантаження

на підошву стопи та розробити КОЕС параметрів стопи людини.

на рис. 5.18. Сенсор складається зі скляно лити, яка витримує нава-

нтаження тіла людини, та джерела білого світла.

Рис. 5.18. ОЕС розподілу навантаження на стопу людини

(оптична схема)

192

Для освітлення застосовані спеціальні лампи, що дають

мірне освітлення по площі всієї скляної плити. У місцях контакту сто-

ості отриманого зо-

раження стопи, використовується структуроване світло, отримане за

допомогою поляризаторів [258, 259].

108]

рівно-

пи з поверхнею виникає межа поділу середовищ, де відбувається пе

рерозподіл інтенсивності падаючого світла залежно від величини при-

кладеного тиску. Відбите світло від межі скло/підошва стопи реєстру-

ється відеокамерою. Для підвищення контрастн

При такій схемі освітлення досягається можливість отримати

картину стопи, що має різні ділянки відбивної здатності, які відпові-

дають різному навантаженню [260].

Для дослідження параметрів стопи необхідно в першу чергу ви-

значити енергетичні залежності та встановити критерій ефективності.

Основним енергетичним рівнянням вибираємо умову [107,

об ф п

E-E³

ΔE

де

об

– ефективне опромінення вхідної зінниці відеосистеми, яке

створює об’єкт і фон, на якому він знаходиться;

– відношення сиг-

нал/шум, яке допустиме для цієї системи;

– порогова чутливість

оптико-електронного засобу, приведеного до входу, яку можна описа-

ти виразом:

оез вх

Δ=

де – еквівалентна смуга шумів;

оез

– площа фотоелемента;

–

корисної дії системи первинної обробки інформації

втрати потужності в цій системі;

коефіцієнт

враховує

сигналу

, який

вх

– площа -

ного зрачка; – здатність фотоприймача

Значення і при цьому можуть бути знайдені, оскільки

вхід

виявлення .

об

вх

ОЕС працює на основі потоку освітленості, який потрапляє

на матричний фотоприймач внаслідок проходження через оптичну си-

стему.

Тоді можна записати

0вх

ФАЕ

193

де

– інтегральний коефіцієнт пропускання.

З іншого боку для випромінювача, що перекриває все кутове

поле ОЕС

() ()()

вх

Ф LA

τλ λ

ΔΩ

де

()L

– спектральна густина інтенсивності джерела корисного сиг-

налу;

ΔΩ

– тілесне кутове поле об’єктива.

може бути задано або у

вигляд

В ОЕС вихідними сигналами оптичної системи можна вважа-

ти координати в площині n, m, в якій встановлюється матричний фо-

топриймач. Положення зображення в площині

і прямокутних складових

n, m, або в полярних координатах

. Якщо аберації оптичної системи типу дисторсії та кути малі, то

можна вважати кути вхідні та вихідні

і як вхідними та вихідни-

ми величинами розглядати кут

і Тоді вихідний сигнал

сис

відхилення

оптичної теми в ОЕС можна подати у вигляді

0вх вх

ФrEА F

, (5.29)

де

– фокусна віддаль;

– відстань зображення точкового джерела

від оптичної осі.

Для матричних фотоприймачів у статичному режимі сила

труму на виході визначається з виразу с

SФrI

, (5.30)

де

– інтегральна чутливість фотоприймача по струму.

Таким чином, функція перетворення ОЕС на снові формули

(5.28) з урахуванням (5.29) та (5.30) набуде вигляду:

{}

22 22

01 0 0 01

22 2 2

((1 ))((1 ))()

( (1

i вх

SEА F

nnn pn n pn nn

()

001 01 0 0

) )( ) ( )( (1 )(6 (1 )) ).

pnnnnnnpnnpn

αα

+++−+−−

(5.31)

тиску.

=×

ααα

+ − +−− + −+ −

На рис. 5.19 наведена залежність вихідного сигналу елементарної

точки стопи від прикладеного

194

Рис. 5.19. Залежність відбивної здатності біотканини від тиску

Ця характеристика є нелінійно исока чутливість спостері-

гається на початку діапазону вимірювання при малих значеннях нава-

нтаженості. При збільшенні тиску на поверхню ск

ю. В

ляної пластини чут-

ливість перетворення зменшується. Таким чином, сенсор має більшу

утливість при дослідженні дітей, вага яки

оптико-електронної

’ю-

теризованої системи параметрів людини

ну й складається

з ламп Л

, і Л

, блоків керування напругою ламп БКН

БКН

блока вмикання та вимикання системи освітлення БВВ, яка

ід’єднана до персонального комп’ютера ПК за допомогою стан

ного порту USB, відеокамери, що реєструє зображення стопи та

під’єднана за допомогою аналогічного порту до комп’ютера та блока

іс -

сена в часі [260].

ч х знаходиться в межах до

60 к і для підвищення чутливості, що стосується досліджень стоп

дорослих людей, необхідно в першу чергу підвищити чутливість фо-

топрий нмаль ої системи.

5.2.3. Структурні особливості

комп

стопи

Структурна схема КОЕС, яка наведена на рис. 5.20, розробля-

лася з урахуванням впливу зовнішнього світлового фо

освітлення

п дарт-

г тограмної бінаризації БГБ. КОЕС працює на двох каналах: пасив

ному та активному, робота яких розне

195

Рис. 5.20. Структурна схема КОЕС стопи людини

Результатом роботи пасивного каналу є зображення стопи,

отримане в умовах зовнішнього світлового фону, а результатом робо-

ти активного каналу – зображення стопи в променях структуризовано-

го світла. Робота каналів передбачає послідовний режим роботи. Це

означає, що вхідними даними для попередньої обробки є не одне, а

два зображення: перше, в якому фіксується відбиток при структуро-

ваному освітленні, та друге – при освітленості зовнішнім світловим

фоном

дефек-

тів скл

Така реалізація структури КОЕС та його програмного забезпе-

чення дає змогу усунути в результаті подальшої обробки вплив

яної плити та зовнішнього світлового фону.

Алгоритм обробки зображень, отриманих ОЕС, можна звести

до таких кроків.

Зняття зображення стопи в структурованому світлі.

Зняття зображення стопи в умовах зовнішнього світлового

фону.

Фільтрація.

Усунення зовнішнього впливу шляхом поелементного від-

німання отриманих зображень.

Виконання лінійного контрастування.

196

Побудова контуру стоп шляхом використання порогового

методу крайового детектування на основі низькочастотної фільтрації.

Бінаризація зображення стоп.

Розрахунок розподілу навантаження.

Розрахунок геометричних параметрів стоп.

10.

Виведення результатів.

Процедури знаття зображення є стандартними, тому розгляда-

тися не будуть. Зображення стоп за допомогою двох каналів форму-

ється у стандартному форматі BMP [1, 5]. Наступна процедура оброб-

ки виконується за допомогою низькочастотної лінійної фільтрації, яка

також відноситься до стандартних [1, 3 ,37].

Операції усунення зовнішнього впливу та виконання контрас-

тування виконуються одночасно. При цьому підвищення контрасту,

отриманого зо о пое-

лементного перетворення з урахуванням величини зовнішнього світ-

лового

браження стопи, було виконано шляхом лінійног

фону [84, 138].

Суть поелементної обробки зводиться до перетворення інтен-

сивності вхідного зображення

(, )

nm x

у зображення, отримано-

го після обробки –

(, )

ynm y

в точці кадру, що має декартові ко-

ординати

(номер рядка) і

(номер стовпця). Поелементна обробка

означає, що існує функціонально однозначна залежність між цими ін-

тенсивностями

,,,

()

nm nm nm

yfx

що дозволяє за величиною початкового сигналу визначити значення

вихідного зображення. При цьому використовується однорідна

поеле-

ментна

, що залежність між початкового і

обробка. У цьому випадку індекси

можуть бути відсут-

німи. Це означає інтенсивностями

бробленого зображень описується функцією

()

однаковою для

всіх

ення стопи функція перетворення має вигляд:

точок кадру. Таким чином, для лінійної поелементної обробки

зображ

()yaxx b

⋅− +

, (5.32)

де

– інтенсивність елемента зображення при освітленні структуризо-

ваним світлом;

– інтенсивність елемента в результаті впливу зовніш-

світлового фону; коефіцієнти лінійного перетворення. нього

a і b–

197

У результаті розв’язання системи рівнянь для знаходження

мінімальної та максимальної вихідної інтенсивності

(

min min min

);

(),

yaxx b

yaxx

⎧

⋅−

max max max

⎨

⋅−+

⎩

щодо b отримаємо: параметрів перетворення a і ,

min min

max min min

max max min min

()( )

()

()()

xx x x

yyyy

xx xx

−− −

=−+

−−−

. (5.33)

При цьому мінімальна й максимальна інтенсивності прийма-

ються за

min

= 0

max

= 255

Отже, змінюючи ширину„робочого” інтервалу інтенсивностей,

можна зберегти картину зображення та визначити, які значення інтен-

сивності є на зображенні (і в яких точках), а яких немає, провести ві-

зуальний аналіз окремих точок зображення, що відрізняються за інте-

нсивностями. Деталі, що не потрапляють у вказаний інтервал, тобто

які відн

и повний ди

.21а наведене вхідне зображення стоп, яке в результаті

перетворення набуває

ис. 5.21б.

ади інтен

адав край стопи,

чітко виражену однопікову гістограму,

о попадають на фон або на об’єкт у резуль

іс

осяться до фону, відкидаються.

Таким чином, лінійне контрастування початкового зображення

дає змогу використат намічний діапазон екрана, що покра-

щує візуалізацію зображення в цілому та дозволяє усунути зовнішні

впливи.

На рис. 5

поелементного вигляду, наведеного на

Наступним кроком алгоритму є виконання порогової обробки

методом низькочастотної фільтрації на основі однопікової гістограми,

який наведений у 3 розділі. Це дає змогу виконати бінаризацію зобра-

ження стоп і виділити контур.

Оскільки зображення стопи має переп сивності різної

величини, то був використаний метод локального визначення порогу

бінаризації. Фрагмент зображення, у вікно якого поп

давав а фрагменти зображення,

щ таті низькочастотної філь-

трації, дають нульове значення щільності розподілу ймовірностей ін

тенсивності на г тограмі.

198

а б

Рис.

янні з вхідним.

5.21. Зображення стоп людини, отримане за допомогою ОЕС:

а – вхідне зображення;

б – зображення в результаті поелементного перетворення

Результати вищенаведених кроків обробки зображення стоп

наведені на рис. 5.22. Експерименти показали значно кращу візуальну

якість обробленого зображення в порівн

а б

Рис. 5.22. Зображення стоп людини в результаті попередньої

обробки: а – бінарне; б – контурне

Широкий клас процедур обробки зображень називається пре-

паруванням, яке полягає в перетворенні

зображення до вигляду, зруч-

ному в машинному аналізі. Операції препарування здійснюються за

допомогою поелементних перетворень спеціальних видів. Так, окре-

мим випадком препарування є бінаризація [1, 84]. Для виконання

препарування зображень в роботі застосовані перетворення –

«зріз» інтенсивності зі збе

реженням фону, неповне порогове оброб-

лення, контрастне масштабування [186, 187].

199