Курсовая работа (т): Исследование характеристик системы распознавания формы микрообъектов

В главе рассмотрена проблема оценки результатов кристаллографических методов исследований биологических жидкостей, предложен способ решения. Представлено описание и реализация алгоритма распознавания линий и расчета их проекций.

2.1 Проблема разработки автоматических систем оценки результата кристаллогенеза

Кристаллографические методы исследования - совокупность методологических подходов к извлечению информации о метаболизме и гомеостазе организма и/или его частей, основанных на феномене свободного или инициированного базисными веществами различного химического состава кристаллообразования высушенного жидкого или приводимого в жидкое состояние биологического материала с последующей интерпретацией результатов кристаллогенеза.

Фация - образец биологического субстрата, приготовленный по любой методике кристаллографического анализа.

Кристаллограмма - изображение всей поверхности образца высушенного биоматериала.

Особенности описания результатов свободной и инициированной кристаллизации биоматериала. Основные и дополнительные критериев оценки кристаллограмм, для учета характеристик фации, включают:

) Индекс структурности (ИС) - отражает состав элементов образца, наличие, относительное и абсолютное количество тел аморфного и кристаллического строения в микропрепарате. ценивается по 4-балльной системе: 0 баллов - присутствие в микропрепарате только вещества аморфного строения, 1балл - дискретная часть образца, представленная аморфными телами и единичными кристаллами; 2 балла - наличие в фации, кроме вышеуказанных элементов, дендритного компонента; 3балла - большая часть поля зрения или все поле образовано крупными дендритными структурами; аморфные тела и одиночные кристаллы немногочисленны.

) Тип взаимодействия кристаллических и аморфных структур (ТВ) Биологическая сущность и информативность данного феномена не изучены.

) Степень деструкции фации (СДФ) - интегральный показатель, отражающий правильность протекания кристаллогенеза и суммирующий как экзогенные, так и эндогенные факторы. Выражается в четырех степенях: 0 степень - все элементы фации правильной конфигурации, не разрушены как в целом, так и на отдельных участках; признаки разрушения текстуры фации отсутствуют; 1 степень - элементы фации имеют начальные признаки разрушения, деструктивные изменения текстуры не наблюдаются; 2 степень - визуализируются многочисленные разрушенные или измененные структуры; есть локальные нарушения целостности текстуры; 3 степень - все элементы фации разрушены, невозможно различить отдельные части фации и структуры, образец представляет собой бесформенную массу аморфного, зачастую окрашенного, материала; отмечаются четкие признаки разрушения текстуры.

) Равномерность распределения кристаллических и аморфных эле-ментов фации (R) - критерий, свидетельствующий о правильности протекания процесса свободного кристаллогенеза. Интерпретируется с использованием шестибалльной шкалы: 0 баллов - полная хаотичность фации, наличие разнородных элементов, пустот, мест скопления кристаллических структур, различная ориентация образований в поле зрения.1 балл - некоторая сгруппированность кристаллов, намечаются единичные участки правильного их построения, занимающие менее 30% от общей площади поля зрения, направленность фигур еще хаотичная.2 балла - наблюдаются четкие "островки" упорядоченности, занимающие от 30 до 50% поля зрения (изучаются не менее трех), расстояния между элементами в группах приблизительно уравниваются, регистрируется некоторая закономерность направленности структурных образований фации.3 балла - элементы фации в значительном числе (более 50% от общего количества) структурированы, "островки" равномерности переходят в участки сравнительно большой площади. Внутри этих зон наблюдаются правильное расположение и равномерность расстояний между отдельными образованиями. Закономерность направленности элементов и зональность просматриваются достаточно четко.4 балла - элементы фации в большинстве своем структурированы (свыше 75% от общего количества), остальные распространяются "островками" по полю зрения, чаще в краевой (маргинальной) зоне. Расстояния между отдельными образованиями практически постоянны. Ориентация элементов подчиняется определенной закономерности почти по всему полю зрения.5 баллов - все элементы тезиграфической фации четко структурированы на всем поле зрения, что подтверждается рассмотрением нескольких полей. Деление на центральную, промежуточную и краевую зоны четко просматривается. Границы последних можно установить даже без микроскопа. Расстояния между элементами картины постоянны, ориентация фигур правильная, закономерная на всей поверхности фации.

) Степень выраженности ячеистости фации (С) отражает особенности органико-минеральных взаимодействий в фации. Оценка производится по шестибалльной прямой шкале: 0 баллов - полное отсутствие признаков появления ячеистости, однородность картины, нет выделения "островков" кристаллов. Фации представляют единый "пласт" кристаллических образований.1 балл - наличие первых признаков неоднородности, "дробления" кристаллоскопической картины (выделены наиболее диагностически значимые принципы):

начало обособления групп элементов (менее 30% от числа всех образований, занимающих менее 30% поля зрения);

появление некоторой неоднородности картины;

начало "дробления" единого "пласта" кристаллических фигур.

2 балла - отмечается достаточно просматриваемая тенденция к "дроблению" фации, образованию "островков" кристаллов (выделены наиболее диагностически значимые принципы):

количество обособившихся элементов в "островках" - от 30 до 50% от числа всех структур, они занимают более 30% поля зрения фации;

выраженная неоднородность, зональность картины;

визуализируется процесс "разделения фации на участки, регистрируются формирующиеся пояса кристаллизации, служащие границами последних, в некоторых случаях не на всем протяжении, толщиной в 1 кристалл.

3балла - наблюдаются выраженные изменения в фации (выделены наиболее диагностически значимые принципы):

элементы в "островках" составляют от 50 до 75% от общего числа, занимаемая ими поверхность - более 50% поля зрения (по нескольким полям);

выраженная неоднородность, "зернистость" картины;

четко просматривается процесс "расчленения" фации в нескольких полях зрения;

пояса кристаллизации довольно четкие, образованы более чем одним рядом кристаллических структур.

4балла - достоверно просматриваются признаки появления ячеистости (выделены наиболее диагностически значимые принципы):

число сгруппированных в ячейки структур от 75 до 100% от общего количества;

сгруппированные элементы занимают все поле зрения (при изучении не менее чем трех полей);

очень четко выражены "дробность", "зернистость" картины;

пояса кристаллизации образованы более чем одним рядом кристаллов, имеются на всей поверхности поля зрения, окружают "островки" полностью.

5баллов - картина характеризуется следующими наиболее диагностически значимыми морфологическими признаками:

число сгруппированных в ячейки структур от 75 до 100% от общего количества;

сгруппированные элементы занимают все поле зрения (при изучении нескольких, не менее чем трех полей зрения);

очень четко выражена "дробность", "зернистость" картины;

пояса кристаллизации образованы более чем одним рядом кристаллов, имеются на всей поверхности поля зрения, окружают "островки" полностью;

присутствуют "разломы" картины (кроме фаций сыворотки крови, для которых данный феномен является самостоятельным диагностическим признаком).

) Выраженность отдельных зон кристаллизации (Z) - четкость формирования зон в фации высушенной биологической жидкости. Выражается в баллах (от 0 до 3): 0баллов - невозможность выделения каких-либо зон кристаллоскопической фации; 1балл - при малом увеличении светового микроскопа выделение зон неотчетливое, наблюдаются незначительные признаки зонализации; 2балла - наличие зон фации четко определяется при малом увеличении микроскопа; 3балла - четкая визуализация зон даже без микроскопа.

) Выраженность краевой белковой зоны (Кз) указывает на относительное содержание в биологической среде компонентов с высокой молекулярной массой, прежде всего белкового состава. Данный показатель оценивается по 4-балльной прямой полуколичественной шкале: 0баллов - полное отсутствие краевой зоны, невозможно выделение краевой зоны под "малым" (мельче х56) увеличением микроскопа; 1балл - краевая зона присутствует нечетко и/или не на всем протяжении фации; 2балла - при микроскопии по всему периметру микропрепарата отмечается наличие выраженной краевой зоны; 3балла - соотношение "ширина краевой зоны - радиус фации" превышает 1: 3; 4балла - выраженная краевая зона в сочетании с наличием "разломов"; 5баллов - краевая зона визуализируется даже без использования микроскопа.

) Рельефность текстуры (Т) позволяет оценить состояние и особенности фонового рисунка, на котором располагаются основные кристаллические и аморфные структуры. Оценивается по прямой 4-балльной схеме: 0баллов - нет признаков наличия текстуры; 1балл - едва заметные при микроскопии элементы (участки) текстуры; 2балла - хорошо различимая при микроскопии текстура фации; 3балла - визуализируемая без использования микроскопа текстура микропрепарата.

Можно заметить, что основная проблема разработки автоматических систем оценки результата кристаллогенеза заключается в большом объеме критериев и субъективности их оценки. Для её решения необходимо минимизировать количество критериев, устранить субъективный аспект с помощью компьютерного анализа и создать конкретную шкалу оценок.

Для уменьшения количества критериев, мы провели их тщательный анализ, проверили сложность их вычисления, применимость к различным методам и информативность. По его итогам был выбран один критерий - степень деструкции фации (далее СДФ), несущий, на наш взгляд, максимальное количество информации о фации и дающий исчерпывающую картину о протекании процесса кристаллогенеза, имеющий линейную шкалу оценки и простоту вычисления. СДФ суммирует как экзогенные факторы дегидратационного процесса (температура, влажность, давление, скорость потоков воздуха, попадание дополнительных веществ и т.д.) так и эндогенные (термодинамическая составляющая кристаллообразования, наличие адекватного для формирования кристаллогидратов и стабилизации органических макромолекул количества воды и т, д.).

Исходя из описания критерия и сопоставления данных, взятых из работ по кристаллографическим методам исследований, можно точно сказать, что величина СДФ определяется плотностью трещин, отношением радиальных трещин к тангенциальным и их распределением по зонам фации. Следовательно, система, распознающая форму разломов, их направление и плотность распределения в зависимости от зоны, позволит нам устранить субъективный аспект и даст исчерпывающую информацию.

2.2 Разработка алгоритма распознавания линий и расчет их радиальных и тангенциальных составляющих

В процессе считывания и преобразования в цифровой массив изображение подвергается различным искажениям и зашумлению, что требует применения средств для его улучшения и реставрации.

Весь алгоритм можно разбить на несколько этапов:

) Ввод изображения.

) Предварительная обработка.

) Распознавание линий.

) Расчет их радиальных и тангенциальных составляющих

) Вывод результата.

Ввод изображения будет осуществляться по средствам захвата с оптического устройства (камеры) либо считывания уже имеющегося.

Предварительная обработка направлена на улучшение изображения, отсечение лишней информации и состоит из нескольких шагов:

) Преобразование в полутоновое изображение.

Так как цвет не несет для нас значимой информации, можно перевести его в полутоновое, заменив значения RGB для каждого элемента матриц на значение интенсивности яркости. Это ускорит процесс обработки, так как программе или функции, работающий с матрицей изображения, необходимо будет оперировать с одним значением для каждого элемента.

) Выравнивание освещения (компенсация разности освещения).

Большинство изображений фаций имеет неравномерное освещение, что вызывает проблемы в процессе дальнейшей обработки. Компенсацию разности будем производить с помощью алгоритма Single scale retinex (SSR).

Принцип работы данного алгоритма:

Исходное изображение  (рис.2)

Получаем приближенное изображение освещения путем низкочастотной фильтрации  (рис.3)- матрица свертки низкочастотного фильтра

Восстановим изображение по формуле  (рис.4)

) Сглаживающая фильтрация (устранение шумов).

Как правило, фильтрация осуществляется путем свертки матрицы изображения с маской, представляющей фильтр. В нашем случае будем использовать фильтр Гаусса. Фильтр Гаусса является результатом операции размытия изображения функцией Гаусса. Данный подход широко применяется в графических редакторах, как правило, для уменьшения зашумленности изображения и сглаживания резких краев. Также Гауссово сглаживание используется в качестве оператора этапа предварительной обработки во многих системах распознавания образов.

С точки зрения математики, применение фильтра Гаусса равносильно свертке изображения с функцией Гаусса (также данный подход известен как двумерное преобразование Вейерштрасса). Механизм работы фильтра заключается в расчете функции Гаусса для каждого пикселя изображения. Уравнение гауссовой функции для одного измерения имеет следующий вид:

, (1)

где x - координата объекта в одномерном пространстве;

σ - среднеквадратичное гауссово отклонение.

В двумерном случае дважды осуществляется расчет функции Гаусса (1) для каждого из измерений:

, (2)

где x,y - координаты объекта в двумерном пространстве;

σ - среднеквадратичное гауссово отклонение.

Формула (2) дает поверхность, ограниченную концентрическими окружностями, распределенными относительно центральной точки по Гауссу. Значения, вычисляемые на основе этого распределения, используются для построения конволюционной матрицы, которая применяется к исходному изображению.

1)      Выделение краев.

Выделение краев будет осуществляться детектором границ Канни. Его преимущества перед остальными детекторами:

а)      Хорошее обнаружение, т.е. минимальная вероятность пропуска реального перепада яркости и минимальная вероятность ложного определения перепада (максимизирование выходного отношения сигнал/шум).

б)      Хорошая локализация (пиксели, определенные как пиксели края, должны располагаться насколько возможно ближе к центру истинного края).

в)      Только один отклик на один край.

Вышеперечисленные критерии были записаны в виде уравнений, которые были решены численно, и был определен путем моделирования вид оптимального (в смысле указанных выше критериев) оператора выделения края.

Принцип работы детектора:

. Свертка изображения с ядром - производной от фильтра гаусса.

. Поиск значения и направления градиента.

Утоньшение полос в несколько пикселей до одного пикселя.

. Связывание краев и обрезание по порогу.

Определяем два порога: нижний и верхний

Верхний порог используем для инициализации кривых

Нижний порог используем для продолжения кривых

Пример работы детектора границ Канни представлен в виде исходного изображения (рис.6) и обработанного изображения (рис.7)

Процесс распознавания лини и расчет их радиальных и тангенциальных составляющих можно объединить в одну операцию. Для этого разделим изображение кристаллограммы на несколько сегментов (рис.8). В пределах каждого сегмента ведем радиус с заданным углом смещения, если на его пути будет встречаться линия, проецируем её на радиус и нормаль к нему, поворачиваем радиус на заданный угол и повторяем операцию.

Проекция на радиус будет представлять собой радиальную составляющую линии, а проекция на нормаль - тангенциальную.

2.3 Реализация алгоритма в программной среде

Для реализации алгоритма было выбрано две программные среды MATLAB для предварительной обработки и Matcad для реализации процесса распознавания.(сокращение от англ. "Matrix Laboratory") - пакет прикладных программ для решения задач технических вычислений и одноимённый язык программирования, используемый в этом пакете.

Image Processing Toolbox - библиотека функций для MATLAB, позволяющих решать широкий спектр задач обработки изображений.- система компьютерной алгебры из класса систем автоматизированного проектирования, ориентированная на подготовку интерактивных документов с вычислениями и визуальным сопровождением.