Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине (стр. 11 )

Обобщенная структурная схема ТСС

Обобщенная структурная схема ТСС приведена на рис. 2.1.2. В ее основу положена схема установки для изучения люминесценции различных веществ.

Рис.2.1.2. Обобщенная структурная схема ТСС

С1 и С2 – светофильтры (или наборы светофильтров для ТСС); ИС – источник света (или набор источников света для ТСС); УВИ – устройство ввода изображений; Уквс – узел коррекции видеосигнала; ФП – фотоприемник; ПЛ – приемник люминесценции

Источники света (ИС), используемые в ТСС, имеют достаточно широкий спектр, из которого надо выделять участки, соответствующие спектрам поглощения исследуемых веществ. Так, например, обычно используемые в качестве источников ультрафиолетового света эритемные и бактерицидные лампы имеют кроме полезной УФ-составляющей достаточно мощное излучение в видимой и инфракрасной областях спектра. В качестве светофильтра С1 в ИВЛ ультрафиолетового диапазона используются чаще всего стандартные светофильтры типа УФС.

Для возбуждения люминесценции в красной и инфракрасной областях спектра обычно используются галогенные лампы, из широкого спектра излучения которых выделяется сине-зеленый спектральный диапазон. В качестве светофильтра С1 для таких ИВЛ используются либо светофильтры типа СЗС, либо узкополосные интерференционные фильтры.

Рассмотренные выше источники света позволяют возбуждать люминесценцию на достаточно большом поле зрения, соответствующем формату А4. Вследствие необходимости ограничения тепловых нагрузок, как на светофильтры, так и на исследуемый объект, в ТСС обычно не используют галогенные лампы мощностью более 100 Вт. Для люминесцентных ламп УФ-диапазона увеличение мощности связано с увеличением их длины, поэтому применяемые в ИВЛ люминесцентные лампы, как правило, не превышают 15 Вт.

Для возбуждения люминесценции на небольшом поле зрения в пределах нескольких см2 можно использовать сверхяркие светодиоды, излучающие свет в узких диапазонах спектра (ближнем ультрафиолетовом, голубом, зеленом, оранжевом и красном). Для ИВЛ на светодиодах не требуется дополнительных светофильтров.

Увеличение мощности в ИВЛ может быть достигнуто за счет применения импульсных кварцевых ламп-вспышек, излучающих в широком диапазоне от коротковолнового (200 нм) ультрафиолетового до ближнего (1 000 нм) инфракрасного. Лампы-вспышки с обычным стеклом ограничивают ультрафиолетовую область спектра ее длинноволновой частью (от 390 нм).

Примером используемой в ТСС лампы-вспышки является импульсная лампа ИФК-120 с энергией в импульсе 120 Дж.

В качестве фотоприемника в ТСС в настоящее время применяются телевизионные камеры на основе матриц приборов с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-матрицы стандартной чувствительности (0,1–0,01лк) могут использоваться только для визуализации достаточно интенсивной, хорошо наблюдаемой невооруженным глазом люминесценции, например, свечение элементов защиты в денежных знаках и ценных бумагах.

Для телевизионного наблюдения люминесценции, интенсивность которой лежит на границе визуального метода обнаружения, необходимо использовать ПЗС-матрицы с повышенной чувствительностью (0,01–0,008 лк). Достаточную для этих целей чувствительность имеют ПЗС-матрицы с микролинзами. В современных ПЗС-матрицах часто увеличивают интегральную чувствительность в основном за счет подъема в ближней ИК области спектра, что оказывается полезным при визуализации ИК-люминесценции.

ТВ-камера используемая в ТСС должна иметь достаточно мощную АРУ для усиления слабых сигналов, а также обеспечивать фиксацию уровня «черного» в видеосигнале. Эффективно работающая камера должна обеспечивать темный фон изображения с локальными светлыми люминесцирующими объектами различной интенсивности. При этом не должно быть «хвостов» на границах яркостных перепадов, локальных пересветок от ярколюминесцирующих объектов, тактовых помех в виде вертикальных линий или наклонных полос.

Отношение сигнал? шум, при котором обеспечивается предельная чувствительность камеры, имеет важное значение, особенно при непосредственном наблюдении изображений на экране ТВ-монитора. Для визуального выявления слабовидимой люминесценции лучше полезным усилить зашумленный сигнал, который за счет интегрирующих свойств зрения человека может быть обнаружен на экране монитора.

Для этих целей весьма эффективны корректоры видеосигнала, обеспечивающие его аналоговую обработку – дополнительную регулировку уровня «черного» и усиления.

Наличие в системе устройства ввода изображений и ЭВМ обеспечивает возможность не только визуализации и документирования, но и позволяет использовать цифровые методы обработки вводимых изображений. Для статических изображений люминесцирующих объектов наиболее эффективен метод цифрового накопления видеосигнала, устраняющий равномерный шум. Накопление позволяет улучшить отношение сигнал-шум в раз, где n – число накапливаемых кадров изображений. На практике для получения хорошего качества оказывается достаточным усреднить от 20 до 60 кадров.

Для выявления люминесцирующих следов, не обнаруживаемых визуальным методом, требуются высокочувствительные ТСС, в которых необходимо использовать или специальные камеры с длительным накоплением на мишени, или камеры с ЭОПом, обеспечивающие чувствительность от 0,008 лк и ниже.

Камера с ЭОПом дает возможность наблюдения изображения в реальном времени, однако, со значительным уровнем шума, который необходимо устранять цифровым накоплением. Применение ЭОПа существенно повышает стоимость камеры и требует специальной оптики переноса изображения с ЭОПа на мишень ПЗС-матрицы.

ПЗС-камеры с накоплением на мишени также имеют достаточно сложные конструктивные особенности, а именно при реализации в них длительного цикла накопления (более 20 с), требующего принудительного охлаждения фотоприемника с целью уменьшения величины его темнового тока [36]. При накоплении на мишени отсутствует возможность наблюдать объект в реальном времени, что создает некоторые неудобства при проведении исследований.

Несмотря на ряд проблем, таких как: темновой ток, факторы, вызывающие размытие изображения (напр., из-за динамического характера сюжета или промышленных вибраций), в настоящее время режим накопления на мишени используется не только в телевизионных камерах, но и в ряде моделей цифровых фотоаппаратов (ЦФ). Несомненным достоинством данного метода является его высокая эффективность за счет накопления сигнала до воздействия шума телевизионного канала.

Важным фактором для повышения чувствительности ПЛ является уменьшение потерь в оптике и использование светосильных объектов, а также светофильтров С2 с большим коэффициентом пропускания в области спектра люминесценции и высокой степенью подавления вне ее. Предпочтительно использование короткофокусной оптики, позволяющей уменьшить потери света за счет максимально возможного приближения ПЛ к объекту исследования. Однако, здесь необходим поиск компромисса между минимальным расстоянием до объекта, величиной поля наблюдения и допустимой величиной геометрических искажений, свойственных короткофокусным объективам. Практика показывает, что объективы с фокусным расстоянием короче 6 мм в ТСС применять нецелесообразно из-за заметных геометрических искажений, получаемых уже при поле зрения 90 ´ 120 мм.

В качестве светофильтров С1 в ПЛ для ТСС обычно используются стандартные цветные стекла, отрезающие коротковолновую часть спектра от некоторой границы, например, светофильтры типа ЖС, ОС, КС, ИКС. Узкополосные интерференционные фильтры в силу своей относительно высокой стоимости применяются реже при необходимости проведения детальных спектрозональных исследований. Конструктивно ПЛ и ИВЛ обычно объединяются в светозащитном боксе, исключающем внешние паразитные засветки.

На блок управления возлагаются функции выбора режима работы ТСС, а именно: включение нужного источника света и установка требуемого набора светофильтров С1 и С2. Например, при включении режима контроля ультрафиолетовой люминесценции (УФЛ) блок управления обеспечивает включение УФ источника света и установку светофильтра типа ЖС, выделяющего люминесценцию в видимой области. При включении режима контроля инфракрасной люминесценции (ИКЛ) – включение источника сине-зеленого света и установку светофильтра типа КС или ИКС, выделяющего красную или ближнюю ИК - область спектра.

В более сложных системах функционирование блока управления целесообразно осуществлять по программе от ЭВМ. При этом обеспечивается проведение исследований объектов (документов) по заданному алгоритму в соответствии с типовыми методиками. Например, в режиме УФЛ осуществляется последовательный просмотр и контроль люминесценции по участкам видимого диапазона спектра при облучении ультрафиолетовым светом.

Управление от ЭВМ позволяет значительно расширить функциональные возможности аппаратуры, например, производить сложение, вычитание, соединение изображений, полученных в различных участках спектрального диапазона, с целью наилучшего выявления тех или иных информативных признаков.

В качестве устройства ввода изображений (УВИ) могут использоваться стандартные устройства видеозаписи (видеобластеры), обеспечивающие достаточное качество вводимых изображений при количестве элементов разложения не менее 640 ´ 480. Устройства видеозаписи, поддерживающие стандарт VIDEO FOR WINDOWS, позволяют обращаться к их драйверам для захвата кадров изображений через буфер обмена из программ управления ТСС.

Большинство современных ЭВМ соответствует требованиям, предъявляемым к работе с высококачественной графикой, к которой относятся полутоновые и цветные изображения исследуемых объектов. Для реализации «живого» видео на экране дисплея, так называемого режима быстрого или аппаратного просмотра – OVERLAY, достаточно быстродействия ЭВМ Intel Pentium II от 300 МГц c ОЗУ не менее 32 МБ с видеоадаптером, поддерживающим режим True Color 24 bit RGB, и УВИ для шины PCI. УВИ, подключаемые к внешним шинам (напр., к USB), пока не обеспечивают поддержку режима «OVERLAY». Использование УВИ и ЭВМ позволяет в большинстве случаев отказаться от телевизионного монитора и контролировать изображения непосредственно на дисплее ЭВМ.