Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине (стр. 30 )

Рис. 4.1.3. Диэлектрик (1), с напыленным токопроводящим слоем (электродом) (2)
и кольцевой контактной площадкой (3)

Для прочности используется дополнительное прозрачное опорное стекло, объединяемое в единый стеклопакет, который вместе с зоной контакта высоковольтного провода устанавливается в корпус из изоляционного материала и заполняется компаундом для предотвращения утечек высокого напряжения.

Генератор импульсов

Функциональная схема генератора, формирующего импульсы высокого напряжения, подаваемые на электрод БЭО, приведена на рис. 4.1.4 .

Рис. 4.1.4. Функциональная схема генератора импульсов:

1 – преобразователи уровней; 2 – дешифратор; 3 – источник опорного напряжения; 4 – схема сравнения и формирования управляющего сигнала; 5 – импульсный стабилизатор; 6 – прерыватель; 7 – высоковольтный трансфороматор; 8 – задающий генератор; 9 – электронный ключ; 10 – формирователь импульсов запуска

Преобразоваобеспечивают перевод уровней сигналов лог. 1 и лог. 0, принятых для передачи информации через СОМ-порт, в уровни ТТЛ-логики. Дешифратор (2) преобразует параллельный 2-разрядный двоичный код выбора режимов работы генератора в 4-разрядный позиционный код. Источник (3) вырабатывает опорное напряжение определенной, установленной с помощью потенциометров величины для каждого из заданных уровней. Схема (4) сравнивает опорное напряжение с напряжением на выходе импульсного стабилизатора (5) и вырабатывает управляющий сигнал, длительность которого зависит от разности сравниваемых напряжений. Импульсный стабилизатор (5) обеспечивает на выходе постоянное напряжение в диапазоне 100–300 В. Прерывапредставляет собой тиристорный ключ, который при появлении запускающего импульса от электронного ключа (9) подключает выход импульсного стабилизатора к обмотке высоковольтного трансформатора (7). При этом высоковольтный трансформатор формирует во вторичной обмотке высокое 4–10 кВ, в зависимости от выбранного режима работы, импульсное знакопеременное напряжение (затухающая синусоида). Задающий генератор (8) формирует последовательности запускающих импульсов с частотами 1 или 2 кГц. Электронный ключ (9) разрешает прохождение последовательности запускающих импульсов в случае поступления на него сигнала ПУСК. В зависимости от положения переключателя «S» электронного ключа формируется либо пачка импульсов с выбранной частотой 1 или 2 кГц, либо обеспечивается трансляция сигнала ПУСК для работы генератора в моноимпульсном режиме. Формирователь запуска (10) вырабатывает запускающие импульсы (импульсы управления тиристорным ключом с длительностью 10–15 мкс), соответствующие фронту выходных импульсов электронного ключа.

Расширить функциональные возможности генератора импульсов за счет плавности регулировки частоты и амплитуды формируемых импульсов позволяет встроенный микроконтроллер. В результате функциональная схема генератора приобретает вид, изображенный на рис. 4.1.5.

Рис. 4.1.5. Функциональная схема генератора с микроконтроллером:

1 – преобразователи уровней; 2 – микроконтроллер; 3 – делитель напряжения; 4 – схема сравнения и формирования управляющего сигнала; 5 – импульсный стабилизатор; 6 – прерыватель; 7 – высоковольтный трансформатор

Назначение преобразователей уровней, а также блоков (4–7), аналогично рассмотренному выше. Делитель напряжения (3) может быть выполнен в виде обычного резистивного делителя для обеспечения связи микроконтроллера с выходом импульсного стабилизатора.

Микроконтроллер обеспечивает прием и передачу информации в ЭВМ через СОМ-порт в стандартном протоколе RS-232, одновременно выполняя следующие функции: формирование плавно изменяемого опорного напряжения для управления импульсным стабилизатором, формирование последовательности запускающих импульсов заданной скважности, измерение и передачу в ЭВМ информации о величине выходного напряжения импульсного стабилизатора.

Таким образом, наличие микроконтроллера в генераторе позволяет пользователю самостоятельно проводить контроль стабильности выходного напряжения и при необходимости его подстройку. Возможна реализация программным путем автоматической подстройки системы под заранее введенные эталонные значения [72].

2. Аппаратно-программная часть системы визуализации газоразрядного свечения

Функции управления системой. Особенности ввода изображений. Временные диаграммы.

Аппаратно-программная часть системы газоразрядной визуализации включает в себя персональный компьютер с устройством ввода изображений и программное обеспечение: драйвер мультимедиа, поддерживающий работу устройства в стандарте Video for Windows, а также программы для управления режимами работы системы и захвата изображений через буфер обмена ЭВМ.

Рассмотрим функции управления системой, которые реализуются аппаратно-программным путем. К ним относятся:

–  дискретное переключение режимов работы;

–  запуск и выключение генератора импульсов высокого напряжения;

–  установление времени начала ввода изображения относительно момента запуска генератора;

–  установление длительности ввода;

–  задание режима ввода (одиночный кадр, серия кадров).

В приборе «Корона-ТВ» переключение режимов работы, а также запуск генератора, производится через COM-порт ЭВМ путем непосредственного программирования отдельных разрядов порта. В аппаратуре «Стример» используется стандартный протокол обмена RS-232, через который реализуются дополнительные функции управления генератором, а именно:

–  плавная регулировка амплитуды и частоты импульсов генератора высокого напряжения;

–  измерение фактической величины управляющего напряжения для генератора импульсов;

–  проверка идентификационного номера прибора.

Ввод изображения газоразрядного свечения в ЭВМ производится через стандартное устройство видеозаписи с привязкой к системным кадрам – интервалам времени обновления изображения в видеобуфере ЭВМ (см. диаграмму 1 рис. 4.2.1). При этом формируется сигнал ПУСК (диагр. 2), разрешающий формирование импульсов высокого напряжения (диагр. 3). Возникающее газоразрядное свечение преобразуется в сигнал изображения, которое с частотой системных кадров обновляется в видеобуфере ЭВМ (диагр. 4). Команда фиксации изображения (прекращения его обновления в видеобуфере ЭВМ) соответствует кадру записи (диагр. 5), после которого сигнал ПУСК снимается (диагр. 2).

Рис. 4.2.1. Диаграммы ввода изображения в ЭВМ

Таким образом, для устойчивого ввода газоразрядного свечения необходима минимальная задержка в один системный кадр относительно момента включения генератора.

Принцип ввода изображения с заданной задержкой относительно начала возникновения газового разряда (экспозиции) показан на диаграммах 6, 7, 8, 9, на которых изображены сигналы управления, соответствующие диаграммам 2, 3, 4 и 5. Задержка Тк может быть использована для интегрирования кадров газоразрядного свечения. В этом случае сигнал записи (диагр. 9) соответствует команде фиксации в памяти ЭВМ интегрального (усредненного) кадра за время Тк.

В аппаратно-программном комплексе на базе прибора «Корона-ТВ» рассмотренные выше функции выполняются программой GDV Grabber 21, внешний вид панели управления которой представлен на рис. 4.2.3.

С помощью кнопок на панели управления производится дискретное переключение уровней напряжения. При установке ключа Delay имеется возможность задания задержки фиксации кадра относительно начала экспозиции. Ввод кадра осуществляется нажатием клавишей «мыши» на окна ввода изображений. Каждое из окон предназначено для ввода газоразрядного изображения одного из пальцев рук в соответствии с принятой нумерацией. Все десять введенных изображений одновременно могут быть сохранены в выбранной папке.

Рис. 4.2.3. Внешний вид панели управления программы GDV Grabber 21

3. Методы телевизионной съемки газоразрядного свечения

Подход к проблеме с точки зрения информационной теории связи. Модели системы связи. Методы телевизионной съемки: одиночного кадра, непрерывной последовательности с заданным временем накопления в заданных временных интервалах, покадровая съемка. Примеры результатов обработки изображений снятых различными методами. Моноимпульсный режим съемки.

При регистрации газоразрядного свечения фиксируется отклик биологического объекта от воздействия на него переменным электромагнитным полем. В картинах свечения пальцев рук запечатляется интегральная картина распределения различного рода неоднородностей поверхности кожного покрова (эмиссионных, газовыделения, электропроводности и т. п.).

При телевизионной съемке важно получить изображение газоразрядного свечения, в котором содержится максимум информации об исследуемом объекте с априорно неизвестными характеристиками. В настоящее время большой практический интерес вызывают исследования газоразрядного свечения с целью поиска и экспериментальных проверок методов интерпретации тех или иных феноменов в получаемых изображениях, что в конечном итоге должно дать возможность определения функционального состояния исследуемого объекта с достаточной степенью вероятности. Для накопления статистических данных важно иметь в распоряжении различные методы съемки, предназначенные для регистрации характерных особенностей газоразрядного свечения.

С этой точки зрения представляет интерес подход к проблеме визуализации газоразрядного свечения с позиции современной информационной теории связи [73]. В отличии от классической модели системы связи по Шеннону (рис. 4.3.1), в которой неискаженная передача сигнала обеспечивается бесконечным усилением сигнала перед воздействием шума канала за счет идеальной бесконечной во времени связи, в модели источник сигнала (в нашем конкретном случае система газоразрядной визуализации) строится проектировщиком с учетом некоторых сведений об объекте и требований получателя к качеству сигнала (информации). Объект оказывает физическое воздействие (стимул) на источник, который формирует некий ожидаемый проектировщиком и получателем сигнал, смешанный с шумом (рис. 4.3.2).