Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине (стр. 31 )

Рис. 4.3.1. Модель системы связи по Шеннону (без кодирования)

Рис. 4.3.2. Модель системы связи

вводит в модель понятие «проектировщика», как субъективный фактор, а также понятия «полезной», «шумовой» и «качества» получаемой информации. Согласно этой концепции полезная информация смешана с шумовой и в этом смысле ее получение образно сравнивает с отсечением скульптором по своему замыслу всех лишних кусков камня из глыбы при создании скульптуры. Отсекая шумовую информацию, мы неизбежно теряем и полезную. В этой связи к шумовой информации следует отнести также те детали изображения, которые мы в данный момент не умеем интерпретировать, несмотря на то, что они возможно и несут некую полезную информацию об исследуемом объекте.

Такой подход в достаточной степени адекватно моделирует, например, парадоксальную ситуацию, когда исследователь (получатель) для более точной интерпретации феноменов изображения (паттернов) газоразрядного свечения стремится получить узнаваемый образ путем укрупнения считываемой апертуры, т. е. за счет ухудшения разрешающей способности системы, или за счет применения низкочастотных оптических фильтров, приводящих к уменьшению четкости изображения. В сочетании с методами сокращения избыточности, например, уменьшения градаций яркости изображения, получатель добивается некоторой привычной (узнаваемой) именно для него конфигурации паттернов.

Данный пример хорошо иллюстрирует субъективность понятия «качества» или информативности телевизионного сюжета.

Рассмотрим комплекс «Пациент-система ГРВ» как совокупность последовательно соединенных звеньев, используя как классическую модель Шеннона (источник – канал с шумом – получатель), так и модель (объект – источник – канал с шумом – получатель). Применительно к пациенту, состояние организма которого диагностируется методом ГРВ, можно провести следующие аналогии с классической моделью Шеннона. Источник информации – это орган, некоторая совокупность параметров которого через канал связи с шумом передается получателю – участку кожного покрова пальца руки с рефлекторными зонами и биологически активными точками. Получаемая информация в данном случае – это некое изменение в распределении поверхностных свойств участка кожного покрова. Если предположить, что канал связи и источник информации идеальны, то шум в канале можно интерпретировать, как наличие в нем одновременно действующих сообщений от множества других источников (органов), не интересующих нас в данный момент времени и поэтому дающих шумовую информацию.

Задача, которую мы себе ставим – это получение с помощью системы ГРВ информации о наличии отклонения совокупности параметров интересующего нас органа и, соответственно, параметров распределения поверхностных свойств рефлекторной зоны от заданного допуска. Получатель сообщения в первом звене рассматриваемого комплекса является объектом для второго звена – системы ГРВ. Объект стимулирует источник информации – газоразрядное свечение, изображение которого через видеоканал передается получателю сообщения – регистрирующему компьютеру. Формирование свечения и передача его изображения через видеоканал связаны с воздействием целого ряда шумовых факторов. К ним относятся случайные эмиссионные процессы на поверхности диэлектрика возле точек поверхностных неоднородностей объекта, шумы преобразователя свет/сигнал, шумы дискретизации от оцифровки и ввода в ЭВМ.

Для построения оптимальной системы ГРВ, работающей в реальном времени и обладающей требуемыми параметрами качества получаемой информации, важно знать время возможной ее задержки – т, которое определяется соотношением шага дискретизации (длительность кадра изображения) – Т и длительности процесса изменения свойств объекта – t . Если т = t/T >> 1, то возможно накопление информации и, следовательно, повышение ее качества [74].

Однако всегда ли усредненное изображение содержит неискаженную информацию? По всей видимости, нет, т. к. вполне уместно предположение о том, что случайно возникающие однократные феномены, выделяющиеся из среднестатистической группы, также несут важную информацию о биологическом объекте. Здесь может быть проведена аналогия с кардиограммой, на которой фиксируется, например, одиночный эктрасистел, который как раз и несет информацию об отклонении в работе сердечно-сосудистой системы.

Зафиксировать однократное событие возможно только на достаточно длительном, сравнимом с периодом его повторения, отрезке времени. С этой точки зрения весьма информативной является непрерывная съемка динамического сюжета в. avi-файл и последующий анализ кадров этого файла с целью выделения наиболее информативного, или формирования некоторого интегрального телевизионного кадра.

Алгоритм формирования интегрального телевизионного кадра может быть основан на последовательном разделении исходной группы кадров на статистически однородные подгруппы, в которых возможно усреднение изображений. Кадры изображения с усредненными, устойчиво повторяющимися структурами могут быть объединены в одно интегральное изображение, в котором, в отличие от классического метода накопления, будут сохранены специфические особенности изображения, проявляющиеся в однородных подгруппах.

Алгоритм может быть реализован интерактивным путем, когда получатель вручную группирует изображения путем визуального сопоставления, или автоматически, при котором разделение на группы производится, например, путем последовательного сравнения отдельно взятого кадра с остальными и оценки соответствия межкадровой разности некоторому заданному диапазону. На каждом цикле такого просмотра производится группировка кадров, удовлетворяющих заданному критерию отбора. В образовавшихся группах производится усреднение кадров, после чего усредненные кадры суммируются дополнительно. Возможно использование для последующего анализа интегрального кадра, сформированного из любой группы.

Существуют гипотезы, согласно которым информативность начальной стадии газового разряда и его установившегося режима различны [32, 33]. Для выделения двух временных срезов процесса развития газового разряда (так называемый функциональный и структурный режимы съемки) может быть использован более простой способ, не требующий записи большого объема информации в. avi-файл. Запись изображения газоразрядного свечения производится с заданной задержкой от момента начала экспозиции и с заданным количеством усредняемых кадров. Такой способ съемки изображений по сравнению со съемкой одиночного кадра, позволяет получить некоторое представление о различиях в изображении свечения на разных стадиях развития газового разряда.

Задавая для разных временных срезов режим съемки без усреднения и с ним, можно получить определенное представление об устойчивости процесса газоразрядного свечения по степени различия полученных изображений.

На рис. 4.3.3. показаны изображения газоразрядного свечения пальца руки, полученные при однократной съемке и съемке с накоплением. Как видно из данного рисунка, в одиночном кадре отсутствуют некоторые регулярно возникающие феномены, зарегистрированные в усредненном изображении, и, наоборот, в изображении при однократной съёмке имеются отдельные случайные (разовые) структуры, которые усредняются и поэтому отсутствуют в накопленном изображении. Здесь же отсутствуют также случайные точечные шумы, равномерно распределенные в спектре сигнала, что позволяет увеличить динамический диапазон яркостей при последующей обработке с целью получения количественных характеристик.

Рис. 4.3.3. Изображения газоразрядного свечения пальца для одиночного кадра
и усредненного за время равное 1 с

На рис. 4.3.4 показан результат построения модели распределения энергетического поля вокруг тела человека с использованием однократной съемки пальцев рук и съемки с накоплением. Как видно из рис. 4.3.3, при обработке усредненных изображений выявляются не только интенсивные регулярные области свечения, но и устойчивые структуры, возникающие на уровне шумов.

Подход, связанный с получением различных временных срезов газоразрядного изображения, может быть развит и применен при организации покадровой съемки на заданном временном интервале с заданной периодичностью для мониторинга за состоянием биологического объекта. Режим покадровой съемки при достаточных временных интервалах позволяет организовать не только фиксацию изображений, но и отображение в реальном времени процесса изменения их количественных характеристик в графическом виде.

Рис. 4.3.4. Модели распределения энергетического поля тела человека:
однократная съемка пальцев рук (справа), результат усреднения изображений (слева)

Моноимпульсный режим съемки

Наиболее распространена визуализация газоразрядного свечения при его возбуждении пачкой импульсов. В итоге получаемое изображение представляет собой суперпозицию картинок, полученных от воздействия каждого импульса в отдельности. Величина напряжения импульса определяет длину и интенсивность свечения стримеров, а частота повторения импульсов в пачке определяет общую величину засветки, состоящей из суммы стримеров. В целом картина вполне удовлетворительно отражает реакцию организма человека на результат воздействия и несет в себе информацию о его функционировании.

В теории сигналов есть понятие импульсной характеристики системы, которая с физической точки зрения, отображает реакцию системы на входной импульсный сигнал произвольной формы с единичной площадью при условии, что длительность этого сигнала пренебрежимо мала по сравнению с характерным временем установления стационарного состояния системы.

В идеальном случае импульсная характеристика системы порождается дельта-функцией: