автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Методы телевизионной визуализации и обработки изображений люминесцирующих объектов

На правах рукописи

ии^иБ848В

Корнышев Николай Петрович

МЕТОДЫ ТЕЛЕВИЗИОННОМ ВИЗУАЛИЗАЦИИ И ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Великий Новгород - 2007

003068486

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого», Великий Новгород.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Тимофеев Борис Семенович доктор технических наук, профессор Попечителев Евгений Парфирович доктор технических наук, профессор Карачинов Владимир Александрович Ведущая организация:

ФГУП Московское конструкторское бюро «Электрон» (МКБ «Электрон»), г. Москва.

Защита состоится 31 мая 2007 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.168.07 при Новгородском государственном университете им. Ярослава Мудрого по адресу:

173000, Россия, Великий Новгород, ул. Б.Санкт-Петербургская,41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого.

Автореферат разослан <о( » С > 2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.168.07, кандидат технических наук, доцент БритинС.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Решение проблемы повышения эффективности технических средств, предназначенных для визуализации и обработки изображений объектов фотолюминесцентной и электролюминесцентной природы в процессе проведения криминалистических, молекулярно-биологических и медицинских исследований, весьма актуально в связи с необходимостью усиления борьбы с правонарушениями, а также в связи с увеличением количества инфекционных и наследственных заболеваний.

Для перечисленных выше прикладных областей проблема повышения эффективности технических средств визуализации и обработки непосредственно связана с повышением их чувствительности, а также оперативности и объективности проведения исследований.

В настоящее время требуется получать изображения слабо люминесцирующих объектов, находящихся на границе и за пределами визуального порога обнаружения. Для криминалистических исследований выявление практически невидимых невооруженным глазом следов в ряде случаев предопределяет получение вещественных доказательств совершенного преступления, а для молекулярно-биологических и медицинских исследований - возможность диагностики заболеваний на ранней (латентной) стадии развития. •

Рассматриваемая проблема носит долговременный характер, поскольку требуется обнаруживать минимально возможное количество люминесцирующего вещества, получение которого достигается постоянно совершенствующимися методами подготовки проб. Традиционно применяющиеся для ее решения фотографические методы не обеспечивают оперативности получения результата. Замена фотографических методов визуализации телевизионными методами позволяет повысить как оперативность, так и чувствительность технических средств, а применение методов обработки и количественного анализа получаемых изображений обеспечивает повышение объективности исследований.

В свою очередь повышение чувствительности связано не только непосредственно с увеличением энергетических характеристик источника возбуждения люминесценции (ИВЛ) и чувствительности приемника люминесценции (ПЛ), но и с оптимизацией с учетом характеристик исследуемого объекта всей телевизионной спектральной системы (ТСС), включающей в себя ИВЛ и ПЛ. Так, например, при фотолюминесценции ограничение контрастности получаемых изображений вызвано не идеальными спектральными характеристиками ИВЛ и ПЛ в результате чего происходит проникновение в ПЛ паразитных (фоновых) составляющих как в области спектра поглощения , так и в области спектра люминесценции вещества.

В настоящее время отсутствуют четкие критерии и рекомендации по выбору ИВЛ и ПЛ, что часто приводит при попытке визуализации слабой

люминесценции к бесполезному повышению их мощности и чувствительности. Таким образом, возникает задача выбора ИВЛ и ПЛ для визуализации объекта с априорно известными люминесцентными свойствами с целью получения максимально возможного контраста.

Аналогичная задача согласования характеристик объекта с параметрами системы возникает и при перспективных медико-биологических исследованиях, связанных с визуализацией газоразрядного свечения -электролюминесценции газа вокруг объекта, помещенного в переменное электрическое поле.

Практические задачи рассматриваемых в работе областей применения требуют не только визуализации люминесцирующих объектов, но и их количественной оценки. Весьма важна такая оценка для исследования результатов электрофореза в гелях продуктов полимеразной цепной реакции (ПНР), в частности, при определении молекулярной массы и количества ДНК по изображениям люминесцирующих фрагментов, а при исследовании газоразрядного свечения не менее важна классификация изображений газоразрядных фигур на основе анализа их топологических и фрактальных характеристик. В свою очередь количественные измерения требуют оценки их точности.

Таким образом, актуальность настоящей работы обусловлена следующими факторами:

1) необходимостью создания теоретических основ для инженерных расчетов телевизионных спектральных систем (ТСС), визуализирующих люминесценцию;

2) необходимостью разработки принципов построения высокочувствительных ТСС, а также уменьшения времени воздействия на исследуемый объект;

3) необходимостью развития методов обработки изображений с учетом специфики люминесцирующих объектов;

4) необходимостью разработки методов количественного анализа и автоматизированной диагностики инфекционных заболеваний по изображениям люминесцирующих продуктов ПЦР;

5) необходимостью развития метода визуализации и обработки изображений газоразрядного свечения.

Целью работы является разработка методов телевизионной визуализации люминесцирующих объектов и обработки их изображений для повышения эффективности решений прикладных задач в криминалистических, молекулярно-биологических и медицинских исследованиях.

Задачи работы, связанные с достижением поставленной цели: 1) анализ прикладных задач, требующих визуализации люминесценции, в следующих практических приложениях: техническая экспертиза документов (криминалистика), регистрация результатов электрофореза в гелях продуктов полимеразной цепной реакции (молекулярная биология), мониторинг функционального состояния биологического объекта путем

регистрации его газоразрядного свечения в электромагнитном поле высокой напряженности (перспективные медицинские исследования);

2) разработка математической модели ТСС, визуализирующей фотолюминесценцию, и получение на ее основе аналитических выражений, пригодных для инженерных расчетов параметров ТСС, их численного моделирования на ЭВМ и оптимального выбора компонентов системы;

3) разработка принципов построения высокочувствительных ТСС для регистрации фотолюминесценции, работающих в непрерывном и импульсном режимах;

4) разработка принципов построения моноимпульсных ТСС для визуализации газоразрядного свечения;

5) развитие метода компенсации неравномерности сигнала фотоприемника применительно к случаям дополнительного проявления дефектов (например, ячеек с аномально высоким уровнем темнового тока, проявляющихся при прогреве);

6) анализ и развитие методов внутрикадровой и межкадровой обработки изображений и обоснование их применения в ТСС с учетом специфики изображений люминесцирующих объектов, получаемых в рассматриваемых практических приложениях;

7) разработка методов получения количественных характеристик молекулярной массы ДНК по бинарным изображениям люминесцирующих продуктов ПНР в гелях, а также количества ДНК применительно к задачам молекулярной биологии;

8) разработка метода описания фрактальных структур в бинарных изображениях в виде корневых деревьев (графов), позволяющего проводить классификацию стримеров газоразрядного свечения для использования в качестве диагностических признаков;

9) разработка методов автоматизированной диагностики инфекционных заболеваний по изображениям люминесцирующих продуктов ПЦР;

10) разработка метода мониторинга газоразрядного свечения на основе покадровой съемки газоразрядного свечения и отображения в реальном времени его количественных характеристик;

11) развитие методов отображения визуальной и количественной информации при мониторинге газоразрядного свечения, в частности, метода построения секторных моделей для отображения количественных характеристик и интегральных секторных изображений из произвольно выбираемых фрагментов (секторов) исходной последовательности кадров и метода З-В графики;

12) анализ методов оценки стабильности аппаратуры и влияния погрешностей определения основных количественных характеристик газоразрядного изображения в результате воздействия дестабилизирующих факторов;

13) экспериментальное подтверждение разработанных и развитых методов и их реализация в серийно выпускаемой аппаратуре.

Методы исследований основаны на теориях фотолюминесценции и фотоэффекта, теории вероятности и математической статистике, теории графов, методах математического моделирования и управления, методах оптимизации, методах цифровой обработки изображений.

Объектом исследования настоящей работы являются процессы получения визуальной информации о фотолюминесценции и электролюминесценции объектов.

Предметом исследования являются методы оптимизации параметров телевизионной спектральной системы с использованием ее математической модели, а также методы извлечения количественной информации при компьютерной обработке двумерных изображений.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1) телевизионная спектральная система (ТСС), регистрирующая фотолюминесценцию, полностью характеризуется источником возбуждения люминесценции (ИВЛ) и приемником люминесценции (ПЛ), параметры которых должны быть согласованы со спектральными характеристиками объекта, при этом существует множество оптимальных пар ИВЛ-ПЛ, для которых произведение мощности ИВЛ и чувствительности ПЛ является величиной постоянной для объекта с заданными люминесцентными свойствами;

2) в идеальной ТСС отсутствуют ограничения по увеличению мощности ИВЛ и ПЛ с целью обнаружения слабо люминесцирующих объектов, однако, для квазиидеальных и реальной ТСС существуют пороговые значения, определяемые соотношением коэффициентов, характеризующих люминесцентные свойства объекта и паразитные световые потоки, проникающие в ПЛ из-за не идеальных спектральных характеристик ИВЛ и ПЛ, при достижении которых увеличение чувствительности ПЛ и мощности ИВЛ является бесполезным для обнаружения слабо люминесцирующих объектов;

3) идентификация фрактальных структур, получаемых при моноимпульсной телевизионной визуализации газоразрядного свечения, может быть осуществлена на основе их представления с помощью корневых деревьев (графов), описываемых характеристической последовательностью вида 1 т,'2п;... Аь;...т1 , где 2<А<т, Ь=1,2 ...к, т и к - целые числа;

4) определение количества ДНК и молекулярной массы люминесцирующих продуктов полимеразной цепной реакции (ПЦР) в геле связано с определением суммарной интенсивности пикселей люминесцирующего фрагмента и его координат в плоскости изображения, а также калибровкой измерительной системы по изображениям молекулярных маркеров с использованием метода кусочно-линейной аппроксимации, позволяющего минимизировать таблицу аргументов и соответствующих им функций;

5) для оценки стабильности аппаратуры целесообразно использовать п -мерные системы случайных параметров газоразрядного свечения (например, площади, периметра, средней яркости), что позволяет

получить дополнительно к общепринятой оценке среднеквадратического отклонения такие характеристики, как ковариации и коэффициенты корреляции измеряемых параметров.

Научная новизна подтверждается следующими научными результатами:

1) разработана математическая модель телевизионной спектральной системы (ТСС), регистрирующей фотолюминесценцию, предназначенная для оценки ее чувствительности и контраста получаемых изображений;

2) найдены аналитические выражения для определения контраста изображений в идеальной и реальной ТСС и оптимального выбора компонентов системы, полученные на основе предложенной математической модели;

3) разработан метод получения количественных характеристик -молекулярной массы и количества ДНК по изображениям люминесцирующих продуктов ПЦР в гелях применительно к задачам молекулярной биологии;

4) созданы методы автоматизированной диагностики инфекционных заболеваний по изображениям люминесцирующих продуктов ПЦР в гелях;

5) разработан метод описания фрактальных структур в бинарных изображениях в виде корневых деревьев (графов), позволяющий проводить классификацию стримеров газоразрядного свечения для использования в качестве диагностических признаков;

6) найден алгоритм выделения и группировки устойчивых кадров изображений в динамической последовательности и формирования информационного кадра для последующего морфологического и количественного анализа характеристик газоразрядного свечения, построенный на основе методов межкадровой обработки;

7) создан метод мониторинга газоразрядного свечения на основе покадровой съемки газоразрядного свечения и отображения в реальном времени его количественных характеристик;

8) разработаны принципы построения высокочувствительных ТСС для визуализации фотолюминесценции;

9) разработаны принципы построения моноимпульсных ТСС для визуализации газоразрядного свечения;

10) развит компенсационный метод устранения неравномерности сигнала фотоприемника применительно к случаям проявления дефектов;

11) развиты методы отображения визуальной и количественной информации при мониторинге газоразрядного свечения;

12) проведен анализ методов внутрикадровой и межкадровой обработки изображений с учетом специфики изображений люминесцирующих объектов, получаемых в рассматриваемых практических приложениях, в частности, показана целесообразность сочетания аналоговой внутрикадровой и цифровой межкадровой обработки, а именно: коррекции видеосигнала и цифрового усреднения последовательности

кадров для малоконтрастных статических изображений при фотолюминесценции и для выделения устойчивых структур в динамических изображениях газоразрядного свечения;

13) проведен анализ погрешностей определения основных количественных характеристик газоразрядного свечения, в частности, показано положительное смещение оценки периметра газоразрядного свечения и его горизонтальной проекции при увеличении дестабилизирующих факторов, а также предложен ряд дополнительных вероятностных характеристик для оценки стабильности работы аппаратуры;

14) получено экспериментальное подтверждение разработанных и развитых методов и их реализация в серийно выпускаемой аппаратуре. Практическая значимость работы заключается в том, что на

основании общего подхода и методов, изложенных в диссертации, разработан и внедрен в практику криминалистических, молекулярно-биологических и медицинских исследований новый класс аппаратуры-телевизионные спектральные системы для визуализации и обработки изображений люминесцирующих объектов. Практическую значимость имеют:

1) математическая модель ТСС и полученные на ее основе аналитические выражения для оценки чувствительности и контраста получаемых изображений для оптимального выбора компонентов системы, а также программное обеспечение для моделирования параметров ТСС;

2) основные алгоритмические принципы обработки изображений люминесцирующих объектов с целью повышения качества их визуального восприятия, получения количественных параметров, отображения результатов анализа и автоматизированной диагностики;

3) специализированное программное обеспечение для визуализации, обработки и анализа изображений люминесцирующих объектов;

4) телевизионная аппаратура для криминалистических исследований документов (ТСС-2, ТСС-3, ТСС-ЗМ, ТСС-ЗЦ, Эксперт, Эксперт-Ц, Радуга-2), телевизионная аппаратура для регистрации и исследования продуктов ПЦР при геномной дактилоскопии и при диагностике наследственных и инфекционных заболеваний (ТСС «Люмен», «Гель»), а также приборы и системы для визуализации и исследования газоразрядного свечения («Корона-ТВ», «Стример»),

Достоверность полученных результатов обеспечивается теоретическим и экспериментальным обоснованием выдвинутых положений, а также их реализацией в новой номенклатуре телевизионной аппаратуры прикладного назначения - телевизионных спектральных системах, предназначенных для использования в областях применения, рассмотренных в диссертации. Аппаратура, созданная под непосредственным руководством автора диссертации, включена в номенклатурный каталог «Средства связи телевидения и радиовещания» Российского агентства по системам управления и Института экономики и комплексных проблем связи (Москва,2000), а также в специализированный номенклатурный каталог

«Телевизионные спектральные системы» НИИ промышленного телевидения «Растр» (Великий Новгород).

Личный вклад автора в проведенные исследования заключается в выборе объекта исследований, формулировке и реализации цели и задач работы, в том числе: разработке математической модели и получении аналитических выражений для оценки параметров ТСС, постановке задач и участии в разработке программного обеспечения для моделирования ТСС и специализированных программ ввода и обработки получаемых изображений, руководстве работами по созданию опытных образцов аппаратуры, формулировке основных идей, составляющих сущность методов, изложенных в диссертации.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в период с 2000-2006гг. на международных и российских конференциях и семинарах. Среди них Всероссийские и Международные конференции:«Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, 2000г.), «Современное телевидение» (Москва, 2001-2006гг.), «Телевидение: передача и обработка изображений» (Санкт-Петербург, 2000г.), «Приборостроение» (Винницы, 2001-2004гг.), «Наука, информация, сознание» (Санкт-Петербург, 2001 и 2004гг.), «Медико-экологические и информационные технологии» (Курск, 2004г.).

Результаты диссертационной работы были использованы при разработке телевизионных спектральных систем и систем визуализации газоразрядного свечения в НИИ промышленного телевидения «Растр» (Великий Новгород), что подтверждено соответствующими актами. В настоящее время данная аппаратура выпускается серийно и используется в центральных и региональных криминалистических службах различной ведомственной принадлежности (МВД, ГТК, Министерства юстиции, Центрального банка и др.), медицинских учреждениях и исследовательских лабораториях, а также художественно-реставрационных и библиотечных центрах. Созданные образцы аппаратуры защищены патентами РФ на изобретения и отмечены серебряной медалью международного салона изобретений и инноваций «Брюссель-Эврика-96», дипломом специализированной выставки «Интерполитех-2000», а также золотой медалью международного конкурса «Национальная безопасность-2002».

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 60 опубликованных научных работах, из них 1 монография, 19 научных статей, 18 авторских свидетельств и патентов, 4 отчета по НИР и ОКР, 18 тезисов конференций, из них 31 работа опубликована в изданиях, рекомендованных ВАК. В работах, выполненных с соавторами, автору диссертации принадлежит постановка задачи, концепция основных методов и анализ полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы из 211 наименований, включая 66 работ автора. Основная часть работы изложена на 272 страницах машинописного текста. Работа содержит 98 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цель, объект и предмет исследования. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту, определены их научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе диссертации проводится анализ прикладных задач криминалистики, молекулярной биологии и медицины, связанных с получением изображений люминесцирующих объектов и их обработкой, на основании чего сформулированы задачи исследований и намечены основные пути их решения.

В целом люминесцирующие объекты следует выделить в особый класс изображений, обладающих рядом характерных особенностей:

1)отчетливо выраженная бимодальность гистограммы распределения яркости элементов изображения, причем, первая и наиболее мощная мода соответствует темному фону, вторая менее мощная мода - светлым объектам, расположенным на этом фоне;

2)значительный динамический диапазон изменения полезного сигнала, который может простираться от уровня шумов до максимального значения динамического диапазона фотоприемника;

3)статический (постоянный во времени) или динамический (изменяющийся во времени) характер сюжета в зависимости от вида люминесценции, причем, для фотолюминесценции характерны статические сюжеты, а для газоразрядного свечения - динамические сюжеты;

^неравномерность, обусловленная неравномерностью освещенности, создаваемой источником возбуждения люминесценции и неравномерностью сигнала фотоприемника, возникающей в результате различий в чувствительности его элементов.

Перечисленные особенности люминесцентных изображений, а также специфика их формирования позволяют выделить в отдельный класс аппаратуры телевизионные спектральные системы (ТСС), как комбинированные устройства, в которых интегрированы источник возбуждения люминесценции (источник света для возбуждения фотолюминесценции или генератор импульсов электрического напряжения для возбуждения электролюминесценции), приемник люминесценции (ПЛ), устройства аналоговой и цифровой обработки, оптимальное сочетание которых обеспечивает получение изображений с максимально возможным качеством (контрастом).

Во второй главе на основе предлагаемой математической модели решается задача синтеза оптимальной моноспектральной ТСС, регистрирующей фотолюминесценцию, рассматривается математическое моделирование системы на ЭВМ и описываются принципы построения высокочувствительных ТСС. Кроме этого, в данной главе развивается метод компенсации яркостных искажений фотоприемника, связанных с неравномерностью его сигнала и темнового тока, с целью учета возможных

и

проявлений дефектов, в частности, ячеек с аномально высоким уровнем темнового тока, проявляющихся при прогреве фотоприемника, а также , проводится анализ методов обработки изображений применительно к специфике люминесцирующих объектов.

Предлагаемая в диссертации математическая модель ТСС изображена на рис.1.

т> щ

Рис.1. Математическая модель ТСС: ИВЛ - источник возбуждения люминесценции с мощностью ¡У(А); ПЛ -приемник люминесценции со спектральной чувствительностью Е(Л); ИС -источник света с мощностью Р(Л); ФП - фотоприемник со спектральной чувствительностью С(Л); С) - светофильтр с коэффициентом пропускания С1 (А); С2 - светофильтр с коэффициентом пропускания С2(Л); 30 -интенсивность свечения объекта; Уф - интенсивность свечения фона.

Мощность Р(Л) реальных источников света имеет распределение значительно шире спектра поглощения исследуемого объекта. Светофильтр С], с согласованным со спектром поглощения коэффициентом пропускания С 1(1), обеспечивает выделение необходимого участка спектра для возбуждения люминесценции объекта с интенсивностью свечения

Интенсивность Л пропорциональна мощности ИВЛ - ЩЛ), которая определяется характеристиками ИС и светофильтра С,:

ЩЛ) = Р(Л)С,(Л), при этом численное значение мощности определяется следующим выражением:

*г

IV = \Р(Х)С,{Л)ёЛ _

А

В реальной системе возможно появление люминесценции фона с интенсивностью на котором расположены исследуемые объекты. Эта паразитная составляющая может частично или полностью совпадать со спектром люминесценции объекта.

Пусть А о - коэффициент, характеризующий люминесцентные свойства объекта, а Аф - коэффициент, характеризующий люминесцентные свойства фона, причем, А0> Аф.

Тогда:

Светофильтр С2, с коэффициентом пропускания С2(Л), обеспечивает выделение люминесценции исследуемого объекта и подавление составляющих, создающих паразитные засветки вне спектра люминесценции.

Результирующая спектральная чувствительность ПЛ - Е(Л) определяется спектральной чувствительностью ФП - О(Х) и коэффициентом

пропускания С2(Л) и вычисляется по формуле Е = |С(Л)С2(Л)(/Л на

Л,

промежутке РчЯг]- Полный ток ПЛ определяется, как ¡' = jE(Л)J(Л)dЛ, где

ЛЯ) = л(Л) + уф(Я).

Данное описание справедливо для ИВЛ и ПЛ, имеющих идеальные (не перекрывающиеся) характеристики. В реальной ТСС спектральные характеристики ИВЛ и ПЛ перекрываются (рис. 2).

Рис.2. Спектральные характеристики реальных ИВЛ и ПЛ: Л„/, Лп2 - границы диапазона длин волн, соответствующие спектру поглощения; Л„1, Л,а - границы диапазона длин волн, соответствующие спектру люминесценции.

Таким образом, 1¥(Л) и Е(Л) могут быть представлены в виде суммы из двух составляющих: полезной и паразитной.

В ИВЛ полезная составляющая мощности УГ0 идет на возбуждение люминесценции объекта, а паразитная \\'ф - на создание фоновой засветки дляПЛ:

= ¡Р(Л)С,(Л)с1Л (1) , \\'ф = |Р(А)С, {Х)с1Л (2).

Ял^ Ал]

В ГШ полезная составляющая спектральной чувствительности Ед идет на формирование полезного сигнала люминесцирующего объекта, а паразитная Еф - на формирование фонового сигнала от излучения, проникающего в ФП в области спектра поглощения:

Л»2 Ал 2

Е0= ¡(ЦЛ)Сг(ЛЩ (3) , = ¡0(Л)С2(1Щ (4).

' Аяу Ап{

Таким образом, полный ток фотоприемника может быть представлен в виде суммы следующих составляющих: г = ¿о + ¡ф + 1ф\ + 1ф2, где ¿о Е0) ~Л0]¥оЕ0 - полезный сигнал объекта;

1ф =/('1ф, Еф) ~Аф]¥оЕо -паразитный сигнал люминесцирующего фона; 1ф1 = /(И^ф, Е0) ~ }УфЕ0 - паразитный сигнал фоновой засветки от ИВЛ в области спектра люминесценции;

1ф2 =/ОУо, Еф) ~ ЩЕф - фоновый сигнал от паразитной чувствительности ПЛ в области спектра поглощения.

Аналогично выражению для относительного оптического контраста запишем выражение для контрастности люминесцирующего объекта по отношению к фону, используя значения составляющих полного тока фотоприемника:

к -*± Еф Аф

л. — ИЛИ А = 1------(5 л

'о % Е* А

Очевидно, что на интервале выполняются нерэвенствз.;

0<Р(А)<Рл и 0<в(Л) <СЛ,, где Рл и О, значение Р(Л) и в(Л) при I =

Аналогично на интервале [А.П1, А,„2] выполняются неравенства: 0<Р(А)<Р„ и 0< С(Л) <<?„., где Рп и С„ значение Р(л) и в (л) при л = лп.

Тогда в соответствии с теоремой о среднем значении для выражений (1) - (4) можно записать:

Яф=Рср я С1л, где С,, = ]с,(А)<*А (6), ]Уо~-Рср „с1п, где С,„ = (7),

Апг Ал*

Еф=Сср „С2п, где С2л= |сг(Л)«*А(8), Е0=СсрлСъ, где Си = )С2{Х)Ы (9).

Ал, Дл1

С учетом (6) - (9) выражение (5) приобретает вид, в котором отображены все компоненты системы, необходимые для решения задач оптимизации:

Г - 1 Рср«Си АФ ,, лч

—ТГ7—Т (10)"

Г Ч>„4„ ЬсрлЬ2д А0

Выражение (10) может быть использовано в качестве целевой функции, стремящейся к максимуму, в системе ограничений, накладываемых конкретной решаемой задачей.

Анализ выражений (5), (10) показывает, что для идеальной системы, в которой Еф~0, №ф=0, Аф-0, отсутствуют ограничения для повышения чувствительности ПЛ и мощности ИВЛ с целью обнаружения слабо люминесцирующих объектов с максимальным значением относительного контраста.

Наличие в системе люминесцирующего фона с площадью превышающей площадь объекта Бф, не только уменьшает контраст

получаемого изображения, но и негативно сказывается на эффективности использования динамического диапазона ФП, реагирующего на интегральный световой поток. Таким образом, принимая во внимание выражение для интегральной чувствительности системы:

как фототок насыщения i, рассчитанный на один люмен светового потока Ф, выделим в световом потоке две составляющие Ф=Ф0+Фф, причем, 0o~AoSoPcp, Фф~АфВфРср, где Рср- средняя мощность ИВЛ; Ф0- световой поток от люминесцирующего объекта; Фф - световой поток от люминесцирующего фона.

Тогда в системе при отсутствии дополнительных паразитных засветок составляющие фототока определяются как i = i0 + i® , где i0 ~7]AoS0PCp -фототок от объекта, i,p = г)Аф5фРср - фототок от фона, а выражение для контраста приобретает вид:

ло°о

С учетом всех рассмотренных выше фоновых составляющих и интегрального характера чувствительности системы, выражение (5) может быть скорректировано следующим образом:

К = ft

■ W0 Е0 А0 ' ^ '

Аналогичным образом может быть скорректировано и выражение (10).

Рассматривая дополнительно паразитные световые потоки, проникающие в ПЛ из-за не идеальности С[ и С?, как соответствующие величины Ф[ _ A(-S Рср и Фг - Аг-S Рср , где Ai и А2 -коэффициенты, характеризующие энергетические свойства светового потока с учетом С\(Л) и Сг(Л), а также считая S = S<j, (так как So « можно записать

следующее выражение:

VPcP = k\ + k2 + k3 + M ' ГДе к1 = Ао^.к2=АфБф, кЗ= А, Яф , Л2

Тогда в идеальной системе, в которой отсутствует люминесценция фона и паразитные засветки, kl » к2+кЗ+к4, и, следовательно, т]Рср = ,

KÏ

а значит, существует множество оптимальных пар ИВЛ-ПЛ с r]Pcp=const для объекта, люминесцентные свойства которого характеризуются коэффициентом Ар. При необходимости визуализации объектов с малыми значениями Ао ограничения для повышения чувствительности ПЛ и мощности ИВЛ отсутствуют.

Рассмотрим квазиидеальную систему первого типа (без люминесценции фона, но с паразитными засветками), для которой kl » к2,

и, следовательно, г)Рср = ---——, Для такой системы множество

к\ + к2 + M

оптимальных пар ИВЛ-ПЛ, в которых цРср~ const, существует при условии кЗ + кА

Л = ———< 1. Начиная от порогового значения /7=7, увеличение

чувствительности ПЛ и мощности ИВЛ является бесполезным для визуализации слабо люминесцирующих объектов с малыми значениями А0.

Рассмотрим квазиидеальную систему второго типа (с люминесценцией фона, но без паразитных засветок), для которой к2 » кЗ + к4 , и,

следовательно, т]Рср = ' . Для такой системы множество оптимальных

к 1 + £2

к2

пар ИВЛ-ПЛ, в которых rjPcp= const, существует при условии П = — < 1 .

к\

От порогового значения 77=7 увеличение чувствительности ПЛ и мощности ИВЛ бесполезно для визуализации объектов с малыми значениями А0.

Для реальной системы аналогичным образом можно записать граничное условие для произведения чувствительности ПЛ и мощности ИВЛ, к2 + кЪ+М

а именно: 77 = Ч

и

=1.

+ VAо

б)

П ,< П,< п,<1

> tfv

в) г)

Рис.3. Графическая интерпретация выражения (11) для контраста в квазиидеальной системе - а), область значений порога П, в пределах которой целесообразно повышение мощности ИВЛ и чувствительности ПЛ в квазиидеальной системе — б), зависимость полного фототока от мощности ИВЛ и чувствительности ПЛ- в), изолинии контраста объектов для ТСС при различной мощности ИВЛ и чувствительности ПЛ — г).

В связи с существованием пороговых значений, ограничивающих повышение произведения Г)Рср в реальной и квазиидеальных системах, возможно разделение систем на два класса в зависимости от величины

порога П: системы с обычной чувствительностью, предназначенные для визуализации сильной люминесценции, и системы высокочувствительные, предназначенные для визуализации слабой люминесценции.

Для систем первого класса условно примем 0,01 < П<0,1 , а для высокочувствительных систем - О, К П< 1. При П<0,01 систему можно считать идеальной. Характер рассмотренных выше соотношений иллюстрируется рис.3.

Численное моделирование параметров ТСС на основе полученных выражений выполняется с помощью специализированной программы, в которой предусмотрен оперативный ввод спектральных характеристик компонентов системы, граничных условий и автоматическое вычисление получаемого контраста изображения люминесцирующего объекта, что позволяет осуществлять анализ и выбор вариантов ТСС.

Характер фоновой засветки оказывает существенное влияние, как на визуальное восприятие изображений люминесцирующих объектов, так и на результаты последующего количественного анализа. В диссертационной работе развит компенсационный метод с целью дополнительного учета возможных дефектных элементов матриц (короткозамкнутые ячейки, обрывы, ячейки с аномально высоким уровнем темпового тока и т.п.), приводящих к появлению ложных ярких (или, наоборот, темных) элементов на темном (или, наоборот, светлом) фоне.

Суть предлагаемой модификации компенсационного метода заключается в том, что дополнительно с запоминанием для каждого элемента матрицы МхМ значений темпового тока Т(ц) при закрытом объективе фотоприемника, значений Ф(¡у) от равномерного фона при контрольной засветке, определением для каждого элемента коэффициента передачи Щу) , при котором выходной сигнал равен эталонному N(1,])-Ф(1,])/ и о , где и о = тах [Ф(ц) - Т(ц)] , и компенсацией в процессе информативной засветки в соответствии с выражением и(1,/) - [ии(1,]) -Т(1,])] х N(1,}), где 1/(1,]); ии(1,]) - значения выходного сигнала, проводят компенсацию дефектов, которая заключается в замене сигнала от дефектной ячейки сигналом предыдущей (не дефектной) ячейки или значением яркости, вычисленным по некоторой ее окрестности.

Поиск дефекта предлагается проводить путем сравнения значений яркости при контрольной засветке Ф(Ц) и значений темнового тока Т(и) с пороговыми значениями Фа и Т0. При Т(ц) > Т0 выявляют «белые» дефекты, при Ф(Ц) < Ф0 - «черные». Для данных элементов значение коэффициента передачи N(1,]) принимается равным нулю. При информативной засветке в момент считывания элемента, для которого 0, в качестве Щц) берется

предыдущее значение 1!(1~1,]-1).

Более точно компенсацию дефектов предлагается осуществлять путем анализа массивов коэффициента передачи N(7,/) и текущего сигнала 11(У) в заданной апертуре Н , размером тхт элементов, где т=2к+1 , к=1,2... , с центральным элементом равным 0. При этом для исходного массива N(1,])

формируется массив маски Х(1,/) и используется для обработки информационного массива II(/,/) по формулам:

О, если Щц) =0 ЩЦ) , если Х(1,]) =1

7, если Щц) >0 и'(у) ,еспиХ(ц) =0

Дефектный (центральный) элемент заменяется средним значением и'(Ч,]), вычисленным по окрестности, соответствующей анализирующей апертуре Я, с учетом коэффициентов маски Х(Ц) , попавших в апертуру Я , что позволяет не учитывать дефектные элементы при вычислении среднего значения и тем самым повысить точность компенсации.

В диссертации показана целесообразность сочетания аналоговой внутрикадровой и цифровой межкадровой обработки. При динамическом диапазоне сигнала от 0 до и,гакс, уровне фона - и,),, сигнала - ис, шума - иш, коэффициент усиления для аналоговой обработки составит К=имакс/(имакс-иф)=и„ак(/ис. Если шаг квантования сигнала по амплитуде при последующем цифровом накоплении Д11, то количество градаций яркости составит К=ис/Ди (без аналоговой обработки) и Н=имакс/Ди (с обработкой). Таким образом, выигрыш в передаче градаций яркости, получаемый при последовательной обработке сигнала изображения люминесцирующего объекта аналоговым и цифровом методом, по сравнению с аналогичной цифровой обработкой составит К=Н/Ы раз. Увеличение шумов в К раз при усилении смеси сигнала и шума компенсируется увеличением числа п накапливаемых кадров в

К2 раз при последующем цифровом шумоподавлении, что в результате обеспечивает ишвых=Киш

В третьей главе диссертации предлагается метод телевизионной моноимпульсной визуализации газоразрядного свечения, метод динамического усреднения, метод описания фрактальных структур бинарных изображений газоразрядного свечения в виде корневых деревьев, метод выделения и группировки повторяющихся кадров в динамической последовательности на основе межкадровой обработки. Кроме этого, развивается метод конструирования секторных моделей и интегральных изображений из исходной последовательности кадров, получаемых при мониторинге газоразрядного свечения, метод отображения газоразрядных изображений на основе 3-Б графики, а также проводится анализ методов оценки стабильности аппаратуры и погрешностей измерений основных количественных характеристик газоразрядного свечения.

При возбуждении газоразрядного свечения пачкой импульсов получаемое изображение представляет собой суперпозицию картинок, полученных от воздействия каждого импульса в отдельности. Отклик на

воздействие пачки импульсов с точки зрения теории сигналов может нести неискаженную информацию об объекте только в случае линейности его характеристик. Однако, биологический объект следует рассматривать как систему нелинейную. С этой точки зрения наименьшие искажения относительно к изначальному состоянию биологического объекта вносит метод телевизионной моноимпульсной визуализации газоразрядного свечения, заключающийся в получении и фиксации информационного телевизионного кадра, возникающего при воздействии на объект одиночным возбуждающим свечение импульсом высокого напряжения.

Сущность метода и получаемые при этом изображения иллюстрируются рис. 4.

1 -и-^-и-

2-ч—I—I— I

3 -II-1-1--С V -Г

4 ___К" V-

I / ■.■■■ ' >

Рис.4. Временные диаграммы и изображения (негатив), полученные методом моноимпульсной телевизионной визуализации газоразрядного свечения. На диаграммах 1-кадровые синхроимпульсы, 2- импульс запуска, 3- импульс однократного включения генератора высокого напряжения, 4 - одиночный информационный кадр, 5- сигнал записи в память.

Предложенный в диссертационной работе метод динамического усреднения кадров изображений газоразрядного свечения исходит из предположения о том, что для биологической системы, как системы, формирующей некоторый информационный отклик, регистрируемый в виде изображения газоразрядного свечения в ответ на воздействие стимулирующими импульсами высокого напряжения, возможно накопление сигнала в соответствии с принципами информационной теории связи.

Для этого требуется знать время возможной задержки информации -т, которое определяется соотношением шага дискретизации (длительность кадра изображения) - Т и длительности процесса изменения свойств объекта -1. Накопление сигнала возможно, если от = t/T» 1.

Как видно из рис.5 , в одиночном кадре отсутствуют некоторые регулярно возникающие феномены, зарегистрированные в усредненном изображении, и, наоборот, в изображении при однократной съёмке имеются отдельные случайные структуры, которые усредняются и поэтому отсутствуют в накопленном изображении, как и случайные шумы, равномерно распределенные в спектре сигнала.

Усреднение позволяет увеличить динамический диапазон яркостей при последующей обработке изображения с целью получения количественных характеристик.

О

Рис. 5. Изображения (негатив) газоразрядного свечения объекта для одиночного кадра (слева) и усредненного за время равное 1 с (справа).

Предложенный в диссертации метод формирования интегрального информационного телевизионного кадра основан на последовательном разделении исходной группы кадров на статистически однородные подгруппы, в которых производится усреднение изображений, и последующем их объединении. В таком интегральном изображении сохраняются специфические особенности, проявляющиеся в однородных подгруппах.

Рассматривается два варианта реализации метода: интерактивный, когда получатель вручную группирует изображения путем визуального сопоставления, и автоматический, при котором разделение на группы производится путем последовательного сравнения отдельно взятого кадра с остальными и оценки соответствия межкадровой разности некоторому заданному порогу.

Таким образом, задача автоматического разделения кадров динамического газоразрядного свечения на устойчиво повторяющиеся группы может быть сведена к классической задаче обнаружения изменения в телевизионном сюжете на малоподвижном фоне, алгоритм оценки которого описывается выражением:

Р(х,у,1к) = Г(х.у,1х-!) + а[ и(х,у,!к) -

где и(х,у,1к) -сигнал изображения к -го кадра,

Р(х}у,1К) -оценка фона в к - м кадре,

-оценка фона в предыдущем кадре, а-коэффициент рекурсии ( 0< а <1).

В диссертационной работе предлагается вариант решения данной задачи с обновлением оценки фона Р(при превышении сигнала межкадровой разности (МКР) некоторого порогового значения.

Пороговое значение может вычисляться по амплитудным значениям или по значению гглощади бинарного изображения, занимаемой сигналом МКР. В первом варианте величина МКР сравнивается с заданным пороговым уровнем, определяющим, например, выходной бинарный сигнал МКР. Во втором варианте оценивается дополнительно параметр выходного бинарного сигнала (например, площадь), сравнивается с заданным значением, и в случае превышения эталон обновляется.

Предложенный в диссертации алгоритм автоматического анализа динамической последовательности кадров газоразрядного свечения с целью

выделения однородных групп путем анализа МКР и формирования интегрального информационного кадра включает в себя следующие этапы:

На этапе 1 последовательно сравниваются смежные кадры, и при превышении МКР порогового значения принимается решение о появлении новой группы. Кадры внутри полученных групп усредняются.

На этапе 2 производится сравнение кадра первой группы с кадрами остальных групп. При отсутствии превышения МКР порогового значения кадры сравниваемых групп объединяются. При превышении МКР порогового значения объединение не производится. Кадры во вновь полученной группе усредняются. Затем аналогичным образом производится сравнение кадра следующей группы. Процесс сравнения и группировки заканчивается после перебора всех групп, полученных на этапе 1.

На этапе 3 производится формирование информационного кадра как суммарного кадра из последовательности, полученной на этапе 2.

В диссертации предложен метод покадровой съемки на заданном временном интервале с заданной периодичностью для мониторинга за состоянием биологического объекта. Отличие метода покадровой съемки от динамической съемки в а\ч- файл, заключается в том, что после захвата

очередного кадра изображения возбуждение газоразрядного свечения прекращается до следующего цикла записи, а в интервале между циклами измеряются и отображаются

количественные параметры. На рис. 6 показан пример программной реализации метода покадровой съемки с графическим отображением процесса а. | ,| „, ¡||, ¡¡„до),, | измерения.

т

, И .»' И ргх

пп

Рис.6. Окно программы покадровой съемки и отображения в реальном времени количественных характеристик газоразрядного свечения.

Для количественного анализа параметров газоразрядного свечения используются бинарные изображения, представляющие собой совокупность стримеров, стволы которых определяют точки поверхностных неоднородностей объекта. Особенно ярко это проявляется при моноимпульсной газоразрядной визуализации. Стримеры имеют явно выраженную древовидную структуру, которая относится к классу фрактальных. Для описания стримеров в диссертации использован математический аппарат теории графов, а именно, специфический вид графов - корневые деревья.

В диссертации предлагается описание корневого дерева в виде характеристической последовательности сск[Т] , представляющей собой индексы объединяющихся ветвей дерева. При этом каждая ветвь индексируется порядковым номером ее начальной точки - х„,- , а при

появлении точки объединения ветвей - хы объединяющая ветвь получает индекс одной из объединяемых ветвей ,например, правой. В соответствии с этим правилом характеристическая последовательность может быть представлена в виде ак[7'] = [а!у а2, а3 ... а п] , где а = (Зс„,- ; хн]) - пара индексов объединяющихся ветвей.

На множестве элементов ак[Т] выполняется отношение толерантности, заключающееся в том, что для каждого элемента характеристической последовательности, описывающей дерево, всегда найдется хотя бы еще один ее элемент с хотя бы одним одинаковым индексом. Т.е. внутри ак[Т] для любого а, найдется такой а,, для которого 7^0. В общем случае,

когда в изображении содержится несколько объектов, характеристическая последовательность а[Т], описывающая изображение, представляет собой совокупность характеристических последовательностей ак[Т], а задача разделения объектов в изображении сводится к задаче разделения множества а[Т] на подмножества ак[Т], внутри которых выполняется рассмотренное выше отношение толерантности, и может быть решена методами сортировки и поиска чисел в исходном массиве.

Внутри множества ак[Т] могут быть выделены некоторые признаки топологии дерева, например, элементы типа а , = (хнк ; хнк) однозначно характеризуют наличие связной области внутри объекта (отверстия), а количество таких элементов - степень многосвязности объекта. В качестве топологического признака может быть использовано также значение максимального индекса в ак[Т] , который определяет количество ветвей дерева.

На рис. 7 приведен пример кадра, содержащего несколько объектов (деревьев), где хн! - хн8 - начальные точки, хо/ - х„5 - точки объединений, хк/ -хк3 - концевые точки, 1-8 -индексы ветвей, получаемые в соответствии с рассмотренным правилом индексации процессе сканирования изображения.

Рнс.7. Пример индексации корневых деревьев: слева- в соответствии с номерами начальных точек, справа- в соответствии с введенным понятием порядка.

Деревья, приведенные в качестве примера, описываются характеристической последовательностью а/77=[(1,3);(2,5);(6,7);(4,8);(3,7)], получаемой в процессе сканирования изображения при появлении точек объединений хо] - хо5 . Данная последовательность состоит из подмножеств, соответствующих отдельным деревьям по отношению толерантности: а ¡[Т] = [(1,3);(6,7);(3,7)], а2[Т] = [(2,5)], а3[Т] = [(4,8)].

Для характеристики конфигурации дерева и представления о степени фрактальности его структуры в диссертации предлагается вариант индексации ветвей дерева, основанный на введении понятия их порядка. Введем следующие правила индексации (см. рис.7):

1) ветви первого порядка соответствуют начальным ветвям дерева,

2) порядок ветви объединения определяется суммой порядков объединяющихся ветвей,

3) порядок ствола дерева соответствует наивысшему (максимальному) порядку, равному количеству ветвей первого порядка.

При таком методе индексации структура дерева будет описываться характеристической последовательностью вида 1т;2п;...Аь;...т1, где 2<А<т, Ь=1,2...к , тик- целые числа. Для рассматриваемого примера в изображении имеются два дерева, описываемые характеристической последовательностью вида ]2;2/ и одно дерево с последовательностью вида 1^22;4¡. В характеристической последовательности любого дерева присутствуют базовые фракталы вида 1т;2п . При росте дерева количество базовых фракталов в нем увеличивается. При добавлении к базовым фракталам дополнительной ветки образуются простые ветви дерева. Дерево, состоящее из одной простой ветви описывается характеристической последовательностью вида Элементы последовательности вида Аь

при А>2 не являются обязательной принадлежностью дерева.

Появление в последовательности номеров А>4 соответствует появлению в структуре дерева сложных ветвей. Таким образом, сумма индексов элементов последовательности с номерами А>4 , характеризует количество сложных ветвей в дереве. Чем выше номер порядка ветви, тем более сложна ее структура. Однако, большинство стримеров может быть охарактеризовано при А<5.

В диссертации развивается метод [1,2] построения секторных интегральных изображений газоразрядного свечения (моделей) и диаграмм количественных параметров. Формулируется постановка задачи в общем виде с целью создания гибкого и удобного интерфейса пользователя, позволяющего ему самостоятельно конструировать диаграммы и модели. Вводятся понятия непересекающихся множеств:

- множество секторов Мс{а,; а/}, где а<; а,' - начальные и конечные углы секторов в серии газоразрядных изображений;

- множество секторов диаграмм МД{Р,; р/}, где (У - начальные и конечные углы секторов диаграмм;

- множество секторов моделей Мм{у,; у;'}, где у,; у,' - начальные и конечные углы секторов моделей.

Организуются взаимосвязи на этих множествах путем задания вМ„и

I

Мд таких элементов, для которых выполняются условия: МнпМс ^ 0, |

Мд Г\МС Ф 0, Вводимые элементы или свойства секторов диаграммы (модели) представляются в виде таблиц соответствия элементов множеств Мм и Мд элементам множества М* Различные варианты взаимосвязей на множествах Мд и Мс, а также М, и М( дают множество схем Мсх представления (интерпретации) информации. Введение понятий свойства диаграммы — 1Д и свойства модели - 1Н позволяет изменять их внешний вид и пропорции. Для этого организуются М|цл - множество шаблонов диаграмм,

Мшн - множество шаблонов моделей путем дополнения Мл' и Мм' такими

и

элементами 1д и 1н, чтобы выполнялось условие: Мд А 0з

II

п Обобщенно взаимосвязи на полном множестве схем - М^,

которые могут быть созданы для диагностической интерпретации серии ■газоразрядных изображений, иллюстрируются рис. 8.

Рис,8. Иллюстрация взаимосвязей в множестве схем М«

Рассмотренные выше взаимосвязи положены в основу алгоритмов конструирования диаграмм к моделей (пример яа рис.9).

Рнс.9. Ряд моделей для диагностической интерпретации, составленных из выбранных секторов нескольких изображений, отображающих функционирование отдельных органов и систем организма человека.

В диссертационной работе рассмотрены вопросы оценки стабильности аппаратуры газоразрядной визуализации и погрешностей измерений основных количественных параметров газоразрядного свечения при изменении его динамики в результате воздействия дестабилизирующих факторов.

Основные флуктуации положения фронтов видеоимпульсов можно представить в виде суммы: АХ = АХ[ + ЛХ2, где АХ) = /(А17) - флуктуации, вызванные изменением длины стримеров газоразрядного свечения в результате нестабильности амплитуды возбуждающего напряжения Л и , а ЛХ2~ А иэфф - флуктуации положений фронтов видеоимпульсов в результате действия шума в видеосигнале, причем, А - коэффициент, характеризующий крутизну фронтов, а иэфф - эффективное напряжение шума.

В диссертационной работе показано, что площадь газоразрядной фигуры и среднее значение ее горизонтального размера не зависит от флуктуаций положения фронтов, а среднеквадратическое отклонение пропорционально величинам Л11 и иэфф. Для математического ожидания периметра получено следующее выражение:

АХ? А х?

тР — о 4- ^ + ^ ,где 6 - межстрочное расстояние, Т i - длительность

хорды «антисовпадений». При этом в свою очередь математическое ожидание длительности хорды «антисовпадений» определено в соответствии с правилами вычисления характеристик случайных величин как:

-г2 ¡14ДА-,2

+ Т

где Ф' - табулированная функция Лапласа.

Математическое ожидание горизонтальной проекции с учетом того, что флуктуации передних и задних фронтов импульсов хорд имеют одинаковый характер, может быть выражено следующим образом:

-тХ2+1Ма,

где

М =

КФ\К) +

4Ъг

к^Х-тх

Полученные выражения показывают на положительное смещение оценок периметра и горизонтальной проекции.

Полученные аналитические выражения позволяют производить оценку точности результатов измерения основных геометрических параметров при наличии дестабилизирующих факторов, а также могут быть использованы для определения величин, компенсирующих смещение оценок при известных значениях А, изфф, Л V.

Для оценки стабильности аппаратуры в диссертации предлагается использовать п -мерные системы случайных параметров газоразрядного

свечения (например, площади, периметра, средней яркости), что позволяет дополнительно получить такие характеристики, как ковариации -К = ^ = м(8- (Р-£Р) = соу(8,Р),

= = М(Б - (I-&) = соу^), к = к' = щ1- ы (р~ = соу&Р) и коэффициенты корреляции измеряемых параметров -

р,р = [(Р-дР)/ар],

рр, = Р(Р,1)= К /^Л'гЛрр =М[(Р-&)/ар} [(!-&)/ой .

В четвертой главе диссертации рассмотрены вопросы количественного анализа изображений люминесцирующих продуктов полимеразной цепной реакции (ПЦР) в гелях, в частности, предложены методы определения таких важнейших количественных характеристик, необходимых для . молекулярно-биологических исследований, как молекулярная масса и количество ДНК. В главе также предложены автоматизированные методы диагностики инфекционных заболеваний по изображениям гелей, повышающие эффективность работы лабораторий при большом потоке пациентов.

Сущность предложенного в диссертации метода количественного анализа ПЦР — продуктов по их телевизионным изображениям заключается в следующем. При электрофорезе ПЦР - продукты распределяются в геле в порядке убывания их размера (молекулярной массы). Таким образом, размер Ь ДНК, является функцией расстояния 5 между координатами фрагмента и его стартовой лунки: Ь= /(Б), Количество ДНК - М пропорционально интенсивности -1 свечения фрагмента и определяется следующим образом:

Л/-/Г2Л Л где п - количество пикселей во фрагменте.

к=\

Для оценки размеров и количества ДНК в реальных единицах, например, в нг и, соответственно, в парах оснований (п.о.) применяются молекулярные маркеры с известными значениями Ь и М. Размещая маркер в геле, получают маркерную линейку, используемую для калибровки измерительной системы. Зависимости М=/(1) и Ь=/(Б) имеют, как правило, нелинейный характер.

В диссертации предлагается для измерения использовать метод кусочно-линейной аппроксимации, позволяющий минимизировать таблицу функций и соответствующих им аргументов до количества фрагментов, имеющихся в применяемом молекулярном маркере. При этом каждому интервалу между соседними фрагментами как для значений Ь, так и для значений М ставятся в соответствие свои расчетные значения коэффициентов а и Ь для элементарной функции у = ах + Ь .

Для сравнения - распределения проб, содержащихся в соседних дорожках геля, в диссертации предлагаются интерактивный и автоматический алгоритмы построения профилограмм распределения

интенсивностей люминесценции фрагментов ДНК. Координаты максимумов профилограммы позволяют определить размер фрагментов ДНК, а значения максимумов используются в качестве грубой оценки количества ДНК, содержащейся во фрагменте. Для более точной оценки количества ДНК и для оценки размера фрагмента предлагается интерактивный и автоматический алгоритмы определения значения его координаты и суммарной интенсивности свечения пикселей.

С учетом распределения энергии в апертуре передающего устройства [3,4] условный объем элементарного люминесцирующего фрагмента (количество ДНК) определяется переходной характеристикой системы R(x)=P[dh(x)/dx] следующим образом:

mil гх т>2

Р(х) = 2 J jp(x,y)dxdy =2 ]R(x)dx.

О -rx О

В силу симметричности распределения энергии сигнала в пятне, соответствующем элементарному фрагменту, его сечение может быть представлено в виде, показанном на рис.10, что дает возможность предложить метод уточненного определения количества ДНК, основанный на подобии объемов, разделяемых уровнем квантования.

Рис.10. Форма апертуры передающего устройства и распределение энергии сигнала в пятне, соответствующем элементарному люминесцирующему фрагменту ДНК.

При квантовании с порогом бинаризации, равным половине амплитуды видеоимпульса 1]=0,51тах, площадь заштрихованной фигуры 8ф, являющаяся частью видеоимпульса, лежащего ниже порога квантования, равна площади заштрихованной фигуры 80, дополняющей часть видеоимпульса, находящуюся выше порога бинаризации, до прямоугольника (рис.11). Соответственно, сумма площадей Бф и Бо множества сечений видеоимпульса образуют дополняющие объемы Уф и У0.

г 'т N П=0.5

и

>1 1т П<0,5

||Г \

л.

\ ГЬ0,5

У V

Рис.11. Уточненное определение условного объема при квантовании с разными значениями порога П.

Таким образом, условный объем фрагмента с учетом части, находящейся ниже уровня квантования, равен V = S„ Imas, где S„ - площадь, образованная сечением фрагмента пороговой плоскостью.

При квантовании с порогом бинаризации, отличающимся от П=0,51^, с учетом подобия фигур 5ф и S0, а, следовательно, и объемов Уф и V„ можно считать S0 / Зф = V0 /Уф =Jma): / П = К , Тогда полный условный объем фрагмента V= Vj+Уф , где V¡ - сумма отсчетов яркости, равных или превышающих порог П, а Уф=К (S„ Jraa); - Vi].

В диссертации предлагается автоматизированный метод диагностики инфекционных заболеваний по изображениям люминесцируЮщих ПЦР-продуктов в гелях, позволяющий существенно сократить трудозатраты при обследованиях пациентов в 11ЦР-лаборатории, основанный на использовании телевизионно-вычислительных методов получения и обработки изображений в сочетании с методами организации баз данных и включающий в себя ряд этапов.

На первом этапе в базу данных ЭВМ вводится информация о пациентах на текущий день работы лаборатории.

На втором этапе, исходя из имеющейся системы ограничений: количества лунок в геле, номенклатуры тест-систем и диагностируемых инфекций, производится распределение клинических материалов и создание виртуальных моделей гелей. Алгоритм распределения основан на последовательных просмотрах исходного массива таблицы с выбором из него данных по определенным условиям, например, пробы для различных типов инфекций распределяются в порядке убывания их количеств.

На третьем этапе в соответствии с виртуальными моделями распределяются клинические материалы в реальных гелях и проводится электрофорез. На четвертом этапе производится регистрация с помощью ТСС изображений гелей, содержащих люминесцирующие ПДР-продукты. На пятом этапе устанавливается взаимно однозначное соответствие Рис.12. Пример окна программы между изображениями гелей и иденти-автоматизированной диагностики. фи каюрами пациентов в базе данных.

Для этого выбирается гель из набора виртуальных моделей, открывается файл изображения, соответствующий выбранной виртуальной модели, и производится указание профило грамм с положительными пробами (рис.12).

На шестом этапе производится выдача результатов для каждого пациента в отдельности по выбранной форме, в которую заносятся данные пациента и результаты диагностики.

В пятой главе диссертации приводится описание телевизионных спектральных систем и аппаратно-программных комплексов, в которых реализованы предложенные методы. Рассматриваются особенности построения ТСС, принадлежащих к различным модельным рядам (рис.13). Условно можно выделить три модельных ряда ТСС, отличающихся друг от друга назначением и, соответственно* уровнем сложности.

Рис.13. Внешний вид ТСС -ЗМ (слева), ТСС "Эксперт" (в центре) , ТСС "Радуга-2" (справа).

Телевизионная спектральная система ТСС-ЗМ предназначена для экс пресс-анализа документов непосредственно на контрольных постах ГАИ, таможен, различных служб безопасности и т.п. Особенностями системы Является оперативность, простота и удобство проведения экс кресс-анализа документов, малые габариты и масса. Исследуемый документ освещается через прозрачное окно ультрафиолетовым, видимым или инфракрасным светом в зависимости от выбранного режима работы. Одновременно с включением источника света со светофильтром С| автоматически обеспечивается ввод перед фотоприемником светофильтра Сг, выделяющего спектр люминесценции. Набор светофильтров С2 в ТСС предназначен для выделения люминесценции в видимой области спектра под воздействием ультрафиолетового света и для выделения инфракрасной люминесценции под воздействием сине-зеленого света.

ТСС "Эксперт", предназначена для исследований документов в криминалистических лабораториях. Особенностью системы является наличие светозащитного бокса, обеспечивающего возможность работы с объемными объектами, дискретное 4-х кратное изменение масштаба изображения, наличие линеек светофильтров, выделяющих отдельные участки спектра в диапазоне от 400 до 1 ООО нм,

ТСС "Радуга-2" предназначена для проведения углубленных криминалистических исследований документов и других вещественных доказательств. Особенностями системы являются наличие импульсных ИВЛ большой мощности видимого и УФ-диапазонов, повышенная чувствительность фотоприемника, плавное масштабирование изображения.

ТСС «Люмен», «Гель» предназначены для визуализации продуктов ЛЦР в гелях (рис.14). Высокочувствительный БКТ на базе ЭОП в ТСС «Люмен» в сочетании с дополнительной аналоговой обработкой в УКВС и цифровым накоплением при вводе в ПЭВМ обеспечил возможность обнаружения люминесценции продуктов ГЩР в геле при их количестве до

1 нг, что в 10 раз ниже порога непосредственного визуального обнаружения и соответствует порогу, достигаемому при фотографировании геля на специальную фотопленку типа МИКРАТ-1 с экспозицией 30 с.

Рис.14, АПК на базе ТСС "Люмен" (слева), АПК «Гель» (справа).

В АПК «Гель» за счёт применения импульсного источника возбуждения люминесценции и высокочувствительной телевизионной камеры на базе ЭОП достигнута потенциальная возможность обнаружения люминесценции количества ДНК, окрашенного бромидом этидия, превышающая визуальный порог обнаружения в 100 раз.

Прибор «Корона - ТВ» (рис. 15) создан совместно с лабораторией проф. К. Г. Короткова (ЗАО «КТИ», г. Санкт-Петербург) и предназначен для визуализации газоразрядного свечения различных объектов: тканей, участка! кожи, образцов жидкостей, материалов и т.д. Управление режимами работы прибора и вводом изображения в ЭВМ осуществляется с помощью программного обеспечения. Система газоразрядной визуализации «Стример» (рис.13) отличается модульным принципом построения, наличием сменных электронно-оптических блоков и встроенного микроконтроллера, обеспечивающего возможность перестройки частоты и амплитуды возбуждающих свечение импульсов напряжения в диапазоне от 500 до 3000 Гц и от 3 до 10 кВ, соответственна.

Рис.15. Внешний вид прибора «Корона -ТВ» - слева и системы газоразрядной визуализации ¡(Стример» - справа

В заключении приведены результаты диссертационной работы и сформулированы основные выводы, заключающиеся в следующем: 1) проведен анализ прикладных задач криминалистики, молекулярной биологии и медицины, требующих визуализации люминесценции, и выявлены характерные особенности изображений люминесцирующих объектов, позволяющие отнести их к специфическому классу изображений, требующему определенного подхода к проектированию телевизионной аппаратуры;

2) создана математическая модель телевизионной спектральной системы (ТСС) для визуализации фотолюминесценции, получены на ее основе аналитические выражения для оптимального выбора компонентов системы и оценки ее характеристик, разработана программа для моделирования параметров ТСС и ее оптимизации;

3) развиты принципы построения высокочувствительных ТСС и комплекс методов обработки изображений люминесцирующих объектов, направленных на улучшение их визуального восприятия, а также получения количественных характеристик;

4) предложены методы получения количественной оценки ДНК в люминесцирующих. продуктах ПЦР и автоматизации процесса диагностики инфекционных заболеваний по их изображениям;

5) разработан метод телевизионной моноимпульсной визуализации газоразрядного свечения;

6) разработан метод описания фрактальных структур в бинарных изображениях газоразрядного свечения, получаемых в моноимпульсном режиме, на основе корневых деревьев (графов) с целью классификации и использования в качестве диагностических признаков;

7) предложен алгоритм выделения и группировки устойчивых (однотипных) кадров изображений в динамической последовательности и формирования информационного кадра для последующего морфологического и количественного анализа характеристик газоразрядного свечения, построенный на основе методов межкадровой обработки;

8) разработан метод мониторинга биологического объекта на основе покадровой съемки' газоразрядного свечения и отображения в реальном времени его количественных характеристик;

9) проведен анализ погрешностей определения основных количественных характеристик газоразрядного свечения, предложен ряд дополнительных вероятностных характеристик для оценки стабильности аппаратуры;

10)подтверждена эффективность разработанных методов в результате разработок телевизионной аппаратуры и прикладного программного обеспечения и внедрения их в практику криминалистических, молекулярно-биологических и медицинских исследований.

Список цитируемой литературы

1. Коротков К. Г., Разработка научных основ и практическая реализация биотехнических измерительно-вычислительных систем анализа газоразрядного свечения, индуцированного объектами биологической природы, автореферат диссертации на соискание ученой степени д.т.н., СПб, СПбГИТМО (ТУ), 1999.32 с.

2. Коротков К. Г., Основы ГРВ биоэлектрографии, СПб, СПбГИТМО(ТУ), 2001.360 с.

3. Рыфтин Я.А. Телевизионная система. Теория. Сов. радио, М.,1967,270с.

4. Рыфтин Я.А. Условия оптимальной работы ТВ систем с частичной и полной дискретизацией изображения//Техника кино и телевидения.1983'.№9, с.48-53.

Список печатных работ, опубликованных по теме диссертации

Монография:

1. Корнышев Н. П. Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине. НовГУ им. Ярослава Мудрого, Великий Новгород, 2004. 226с. Научные статьи:

1. Корнышев Н. П. Телевизионные спектральные системы для визуализации люминесцирующих объектов // Вестн. Новг. гос., ун-та. Технические науки. 2005. №34, с.100-105.

2. Корнышев Н. П. Информационные технологии в диагностике инфекционных заболеваний методом ПЦР П Вестн. Новг. гос., ун-та. Медицинские науки.2005.№32, с.49-52.

3. Бутусов В. В. Телевизионные спектральные системы для криминалистических экспертиз / В. В. Бутусов, Н. П. Корнышев, О. Ф. Родионов, В. И. Челпанов // Специальная техника. 2003. №4, с.24-33.

4. Кузьмин В.П. Вклад новгородского НИИ «РАСТР» в разработку систем и аппаратуры промышленного телевидения / В.П.Кузьмин,

B.И. Челпанов, О.Ф.Родионов, В.И.Абрамов, Н.П. Корнышев,

C.Б.Торицин, М.Я.Орловский, Я.Ю.Гозман, Г.А.Камышев // Проблемы информатизации. 1998. Вып.2, с.33-40.

5. Андреева Е. В. Комплекс телевизионных средств для систем технического зрения / Е.В. Андреева, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов, С.Б. Торицин // Приборы и техника эксперимента. 1991. №5,.с.207.

6. Коркунов Ю. Ф. Измерение геометрических параметров объектов при воздействии шума / Ю.Ф.Коркунов, Н.П.Корнышев // Техника средств связи. Техника телевидения. 1990. Вып. 3, с.76-80.

7. Корнышев Н.П. Метод количественного анализа бинарных изображений//Техника средств связи. Техника телевидения. 1988. Вып.4, с.58-66.

8. Андреева Е. В. Телевизионная автоматическая установка «Измеритель-3» / Е.В.Андреева, В.П.Кузьмин, Н.П.Корнышев, В.А.Максимов, Г.С.Новиков // Приборы и техника эксперимента. 1988. №4, с.227.

9. Андреева Е.В. Устройство селекции изображений объектов на базе микропроцессорного комплекта повышенного быстродействия / Е.В. Андреева, Н.П.Корнышев, В.А.Максимов // Техника средств связи. Техника телевидения. 1985. Вып. 1, с.70-73.

10.Корнышев Н. П. Устройство выбора зон анализа изображений // Техника средств связи. Техника телевидения. 1987. Вып. 2, с.91-98.

П.Коркунов Ю. Ф. Алгоритм селекции изображений объектов произвольной формы / Ю.Ф.Коркунов, Н.П.Корнышев // Техника средств связи. Техника телевидения. 1987. Вып.5, с.44-48.

12.Бутусов В. В. Телевизионная техника для экспертов-криминалистов / В. В. Бутусов, Н. П. Корнышев, Н. С. Никитин, В. И. Челпанов // Эксперт-криминалист. 2006. №2, с.20-22.

13.Корнышев Н. П. Оптимизация телевизионной спектральной системы для визуализации люминесцирующих объектов // Специальная техника. 2006. №4, с.62-64.

14.Корнышев Н.П. Количественный анализ телевизионных изображений гелей с люминесцирующими продуктами полимеразной цепной реакции//Проектирование и технология электронных средств. 2006. Вып. 2, с.45-48.

15.Корнышев Н.П. Телевизионный метод определения количества ДНК по изображениям люминесцирующих продуктов полимеразной цепной реакции в гелях//Вестн. Новг. гос., ун-та. Технические науки.2006.№39.

16. Корнышев Н.П. Телевизионные системы для визуализации газоразрядного свечения / Н.П. Корнышев, В.П. Кузьмин ,Н.С. Никитин, В.И. Челпанов / Системы и средства связи телевидения и радиовещания», ЭКОС, Москва, 2006.№1-2, с.44-45.

17.Бутусов В.В. Телевизионные спектральные системы. Новые разработки и перспективы развития / В.В.Бутусов, Н.П. Корнышев, В.П.Кузьмин, Н.С.Никитин, В.И. Челпанов / Системы и средства связи телевидения и радиовещания», ЭКОС, Москва, 2006.№1-2, с.41-43.

18.Корнышев Н.П. Особенности построения телевизионных спектральных систем для визуализации люминесцирующих объектов//Петербургский журнал электроники,СПб,2007.№ 1(50),с.83-86.

19.Корнышев Н.П. Обработка изображений люминесцирующих объектов при технико-криминалистической экспертизе документов// Специальная техника. 2007. №1.

Патенты и авторские свидетельства:

1. Андреева Е. В. Устройство для селекции и регистрации объектов / Е. В. Андреева, С.А.Архипов, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов. A.c. № 1774357, б.и. №41, 1992.

2. Андреева Е. В. Устройство для ввода -вывода изображений / Е.В. Андреева, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов, В.М.Смелков. A.c. № 1797135, б.и. №7,1993.

3. Андреева Е. В. Устройство для ввода -вывода изображений объектов / Е.В. Андреева, С.А.Архипов, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов. A.c. № 1829045, б.и. №27,1993г.

4. Корнышев Н. П. Устройство для формирования маркерных линий на экране видеопросмотрового устройства. Пат.№2041572, б.и. №22,1995.

5. Архипов С. А. Устройство для определения центра тяжести изображения объекта / С. А. Архипов, Н. П. Корнышев. Пат. №2040120, б.и. №20,1995.

6. Корнышев Н. П. Устройство для регистрации движущихся объектов. Пат. №2041500, б.и.№22, 1995.

7. Корнышев Н. П. Устройство для обнаружения движущихся объектов / Н.П. Корнышев, Е.В.Андреева. Пат. №2031545, б.и.№8,1995.

8. Корнышев Н. П. Устройство для ввода и вывода изображений. Пат. № 2066928, б.и. №26,1996.

9. Корнышев Н. П. Устройство для ввода и вывода изображений / Н.П. Корнышев, Я.Ю.Гозман, В.И.Иванов. Пат. № 2065204, б.и. №22,1996.

Ю.Корнышев Н. П. Устройство для выделения подвижных объектов на изображении. Пат. №2068582, б.и. №30, 1996.

11.Корнышев Н. П. Телевизионная спектральная система / Н.П.Корнышев, О. Ф. Родионов, Н. Г. Трошин. Пат. №2066930, б. и. №26, 1996.

12.Корнышев Н. П. Телевизионная система для контроля документов / Н. П. Корнышев, О. Ф. Родионов. Пат. №2094849, б. и. 30,1997.

13.Архипов С. А. Устройство для формирования сигналов управления динамической памятью при записи телевизионного сигнала / С.А.Архипов, Н.П.Корнышев. A.c. № 2022893, б.и. №28,1997.

14.Архипов С. А., Устройство для считывания / С. А. Архипов, А. Н. Герасимов, Н. П. Корнышев. Пат. № 2134932, б. и. 23, 1999.

15.Петухова С. В. Портативный электронно-оптический блок / С. В. Петухова, В. Е. Антонов, Н. С. Никитин, Н. П. Корнышев. Пат. на промышленный образец №60233 от 16.09.06.

16.Андреева Е. В. Программа для съемки и анализа изображений газоразрядного свечения / Е.В.Андреева, Н.И.Смирнов, Н.П.Корнышев. Св. об официальной регистрации №2006613082 от 01.09.06.

П.Андреева Е. В. Программа для съемки и анализа изображений гелей с продуктами полимеразной ценной реакции / Е.В.Андреева, Н.И.Смирнов, Н.П.Корнышев. Св. об официальной регистрации №2006613081 от 01.09.06.

18.Корнышев Н. П. Программа для моделирования компонентов телевизионной спектральной системы и ее оптимизации / Н.П. Корнышев, A.B. Тимофеев. Св. об официальной регистрации №2006613269 от 15.09.06.

Отчеты по НИР и ОКР:

1. Исследование путей построения телевизионных средств систем технического зрения, шифр «Микрон» / Отчет по НИР №У45844. Новгород. 1987.

2. Разработка комплекса телевизионных средств для систем технического зрения, шифр «Микрон-1» / Отчет по ОКР №У59852. НИИПТ "Растр", Новгород. 1989.

3. Разработка высокочувствительного аппаратно-программного комплекса для автоматизированной обработки изображений следов ДНК в гелях при медико-биологических исследованиях, шифр «Гель» / Отчет по НИОКР №У83807. НИИПТ «Растр». Великий Новгород. 2000.

4. Разработка специализированных устройств газоразрядной визуализации с телевизионным преобразованием сигнала и компьютерной обработкой, шифр «Аура» / Отчет по НИОКР №У83808. НИИПТ «Растр». Великий Новгород. 2000.

Тезисы и статьи в сборниках трудов научно-технических конференций:

1. Корнышев Н.П. Телевизионные комплексы для исследования документов в криминалистике и художественно реставрационных работах / Н.П. Корнышев, О.Ф. Родионов, В.И. Челпанов: Сб. тр. н\т конф. «Телевидение: передача и обработка изображений», СПб, ЛЭТИ, 2000г.

2. Ефимова Н. И. Пути автоматизации процесса регистрации результатов исследований при диагностике инфекционных заболеваний в ПЦР-лаборатории / Н. И. Ефимова, Н. П. Корнышев: Сб. трудов междунар. н\т конф. «Приборостроение 2001», Винница-Симеиз,. 2001.

3. Корнышев Н. П. Алгоритм автоматической нормировки телевизионной системы с источником возбуждения электролюминесценции (газоразрядного свечения): Сб. трудов 9-ой междунар. н\т конф. «Современное телевидение», М, МКБ «Электрон», март, 2001.

4. Корнышев Н. П. Техника газоразрядной визуализации (ГРВ) с точки зрения информационной теории связи: Сб. трудов междунар. конгресса по мед. и прикладной биоэлектрографии «818-2001», С-Пб, 2001.

5. Ефимова Н. И. Автоматизированный количественный анализ телевизионных изображений продуктов полимеразной цепной реакции (ПЦР) при диагностике инфекционных заболеваний / Н. И. Ефимова, Н. П. Корнышев: Сб. трудов междунар. н\т конф. «Приборостроение-2002», Винница-Симеиз, 2002.

6. Ефимова Н. И. Подход к решению задачи оптимального распределения клинических материалов в гелях при диагностике методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) / Н. И. Ефимова, Н. П. Корнышев: Сб. трудов конф., посвященной Дню радио, Москва, 2002.

7. Ефимова Н. И. Оптимальная телевизионная спектральная система для обнаружения люминесцирующих объектов / Н. И. Ефимова, Н. П. Корнышев: Сб. трудов 10-й н\т конф «Современное телевидение», М., МКБ «Электрон», март 2002.

8. Корнышев Н. П. Промышленные образцы устройств газоразрядной визуализации с телевизионным преобразованием сигнала / Н.П. Корнышев, К.Г Коротков, Н.С. Никитин, О.Ф. Родионов, Челпанов В.И: Сб. трудов международной н\т конференции «Телевидение:передача и обработка изображений», СПб ,ЛЭТИ, 2000.

9. Корнышев Н. П. Телевидение в молекулярной биологии: Сб. трудов междунар. н\т конф. «Телевидение:передача и обработка изображений», СПб , ЛЭТИ, 2000.

Ю.Корнышев Н. П. Высокочувствительный аппаратно-программный комплекс для исследований следов ДНК в гелях при медико-

биологических исследованиях: Сб. трудов междунар. н\т конф. «Приборостроение 2000», Винница-Симеиз, 2000.

П.Корнышев Н. П. Метод автоматизированной диагностики по изображениям продуктов полимеразной цепной реакции (ПЦР) / Н.И. Ефимова, Н.П. Корнышев, Н.И. Смирнов: Сб. трудов междунар. н\т конф. «Приборостроение 2002», Винница-Алупка, 2002.

12.Корнышев Н.П. Телевизионная аппаратура для визуализации газоразрядного свечения / Н.П.Корнышев, В.П. Кузьмин ,Н.С.Никитин, О.Ф.,Родионов , В.ИЛелпанов: Сб. трудов 11-ой междунар. н\т конф. «Современное телевидение», М, МКБ «Электрон», март, 2003.

13.Корнышев Н.П. Моноимпульсная газоразрядная визуализация: Сб. трудов междунар. н\т конф. «Приборостроение-2004», Винница, 2004.

14.Корнышев Н.П. Принципы построения телевизионных спектральных систем для исследования люминесцирующих объектов:Сб. тр. 13-ой н\т конф. «Современное телевидение», М, МКБ «Электрон», март,2005.

15.Корнышев Н.П. Система газоразрядной визуализации «Стример»: Сб. трудов 7-ой междунар. н\т конф. «Медико-экологические информационные технологии - 2004 », Курск, 25-26 мая 2004.

16.Лескин Г.С. Применение ГРВ-биоэлектрографии при информационной нагрузке пациента гомеопатическими комплексными препаратами / Г.С. Лескин, E.H. Петрицкая, Н.П. Корнышев: Сб тр. VIII междунар. конгресса по ГРВ биоэлектрографии, С-Петербург, 3-5 июля 2004.

17.Корнышев Н.П. Метод описания фрактальных структур в бинарных изображениях, получаемых при моноимпульсной телевизионной визуализации газоразрядного свечения: Сб. тр. 14-ой н\т конф. «Современное телевидение», М, ФГУП МКБ «Электрон», март, 2006.

18.Корнышев Н.П. Метод телевизионной моноимпульсной визуализации газоразрядного свечения: Сб. трудов 14-ой н\т конф. «Современное телевидение», М, ФГУП МКБ «Электрон», март, 2006.

Изд. лиц. ЛР №020815 от 21.09.98. Подписано в печать .Бумага офсетная. Формат 60x84 1/16

Гарнитура Times New Roman. Печать офсетная. Усл. Печ. л. 2. Уч.-изд. Л. 2. Тираж 100 экз. Зак. /У

Издательско-полиграфический центр Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 173003, Великий Новгород, ул. Б.Санкт-Петербургская, 41.

Отпечатано в ИПЦ Нов ГУ им. Ярослава Мудрого. 173003, Великий Новгород, ул. Б.Санкт-Петербургская, 41.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Анализ прикладных задач криминалистики, молекулярной биологии и медицины, связанных с визуализацией и обработкой изображений люминесцирующих объектов

1.1. Люминесценция и люминесцентный анализ.

1.2. Фотолюминесценция в техническо-криминалистической экспертизе документов.

1.3. Фотолюминесценция продуктов полимеразной цепной реакции (ПЦР) в молекулярной биологии.

1.4. Электролюминесценция (газоразрядное свечение) в перспективной медицинской диагностике.

Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. Методы телевизионной визуализации фотолюминесценции

2.1. Математическая модель и оптимизация телевизионной спектральной системы (ТСС).

2.2. Методы телевизионной визуализации фотолюминесценции и принципы построения ТСС.

2.3. Условная классификация ТСС и методы обработки изображений.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. Методы телевизионной визуализации и обработки изображений газоразрядного свечения.

3.1. Общие принципы построения телевизионных систем визуализации газоразрядного свечения.

3.2. Метод телевизионной моноимпульсной визуализации газоразрядного свечения.

3.3. Метод динамического усреднения.

3.4. Метод выделения и группировки однотипных кадров изображений в динамической последовательности и формирования информационного кадра.

3.5. Метод мониторинга газоразрядного свечения на основе покадровой съемки.

3.6. Методы обработки газоразрядных изображений.

3.6. Метод описания фрактальных структур в бинарных изображениях в виде графов (корневых деревьев).

3.7. Методы отображения визуальной информации о газоразрядном свечении.

3.9. Оценка влияния дестабилизирующих факторов на основные количественные параметры газоразрядного свечения.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. Методы обработки изображений люминесцирующих продуктов ПЦР в гелях

4.1. Методы количественного анализа изображений продуктов ПЦР в гелях.

4.2. Метод автоматизированной качественной диагностики инфекционных заболеваний по изображениям гелей с люминесцирующими продуктами ПЦР.

4.3. Метод автоматизированной количественной диагностики инфекционных заболеваний по изображениям гелей с люминесцирующими продуктами ПЦР.

Выводы к главе 4.

ГЛАВА 5. Результаты внедрения разработанных методов

5.1. Телевизионные системы для криминалистических исследований.

5.2. Телевизионные системы для визуализации продуктов ПЦР.

5.3. Телевизионные системы для визуализации газоразрядного свечения.

5.4. Программное обеспечение.

Выводы к главе 5.

Решение проблемы повышения эффективности технических средств, предназначенных для визуализации и обработки изображений объектов фотолюминесцентной и электролюминесцентной природы в процессе проведения криминалистических, молекулярно-биологических и медицинских исследований, весьма актуально в связи с необходимостью усиления борьбы с правонарушениями, а также в связи с увеличением количества инфекционных и наследственных заболеваний.

Для перечисленных выше прикладных областей проблема повышения эффективности технических средств визуализации и обработки непосредственно связана с повышением их чувствительности, а также оперативности и объективности проведения исследований.

В настоящее время требуется получать изображения слабо люминесцирующих объектов, находящихся на границе и за пределами визуального порога обнаружения. Для криминалистических исследований выявление практически невидимых невооруженным глазом следов в ряде случаев предопределяет получение вещественных доказательств совершенного преступления, а для молекулярно-биологических и медицинских исследований - возможность диагностики заболеваний на ранней (латентной) стадии развития.

Рассматриваемая проблема носит долговременный характер, поскольку требуется обнаруживать минимально возможное количество люминесцирующего вещества, получение которого достигается постоянно совершенствующимися методами подготовки проб.

Традиционно применяющиеся для решения данной проблемы фотографические методы не обеспечивают оперативности получения результата. Замена фотографических методов визуализации телевизионными, а также применение методов обработки получаемых изображений и их количественного анализа позволяет повысить как чувствительность и оперативность, так и объективность прикладных исследований.

В свою очередь при применении методов телевизионной визуализации повышение чувствительности непосредственно связано с оптимальным сочетанием источника возбуждения (ИВЛ) и приемника люминесценции (ПЛ). При фотолюминесценции ограничение контрастности получаемых изображений вызвано не идеальными спектральными характеристиками ИВЛ и ПЛ в результате чего происходит проникновение в ПЛ паразитных (фоновых) составляющих как в области спектра поглощения , так и в области спектра люминесценции вещества.

В настоящее время отсутствуют четкие критерии и рекомендации по выбору ИВЛ и ПЛ, что часто приводит при попытке визуализации слабой люминесценции к бесполезному повышению их мощности и чувствительности. Таким образом, возникает задача выбора ИВЛ и ПЛ для визуализации объекта с априорно известными люминесцентными свойствами с целью получения максимально возможного контраста.

Аналогичная задача согласования характеристик объекта с параметрами системы возникает и при перспективных медико-биологических исследованиях, связанных с визуализацией газоразрядного свечения -электролюминесценции газа вокруг объекта, помещенного в переменное электрическое поле.

Особенности люминесцентных изображений, а также специфика их формирования позволяют выделить в отдельный класс аппаратуры телевизионные спектральные системы (ТСС), как комбинированные устройства, в которых интегрированы источник возбуждения люминесценции (источник света для возбуждения фотолюминесценции или генератор импульсов электрического напряжения для возбуждения электролюминесценции), приемник люминесценции, устройства аналоговой и цифровой обработки, оптимальное сочетание которых обеспечивает получение изображений с максимально возможным качеством (контрастом).

Практические задачи рассматриваемых в работе областей применения требуют не только визуализации люминесцирующих объектов, но и их количественной оценки. Весьма важна такая оценка для исследования результатов электрофореза в гелях продуктов ПЦР, в частности, при определении молекулярной массы и количества ДНК по изображениям люминесцирующих фрагментов, а при исследовании газоразрядного свечения не менее важна классификация изображений газоразрядных фигур на основе анализа их топологических и фрактальных характеристик. В свою очередь количественные измерения требуют оценки их точности.

Таким образом, актуальность настоящей работы обусловлена следующими факторами:

1) необходимостью создания теоретических основ для инженерных расчетов ТСС и методики их проведения;

2) необходимостью разработки принципов построения высокочувствительных ТСС, а также уменьшения времени воздействия на исследуемый объект;

3) необходимостью развития методов обработки изображений люминесцирующих объектов с учетом их специфики;

4) необходимостью разработки методов количественного анализа изображений продуктов ПЦР и автоматизированной диагностики инфекционных заболеваний;

5) необходимостью развития метода визуализации и обработки изображений газоразрядного свечения.

Целью работы является разработка методов телевизионной визуализации люминесцирующих объектов и обработки их изображений для повышения эффективности решений прикладных задач в криминалистических, молекулярно-биологических и медицинских исследованиях.

Задачи работы, связанные с достижением поставленной цели:

1) анализ прикладных задач, требующих визуализации люминесценции, в следующих практических приложениях: техническая экспертиза документов (криминалистика), регистрация результатов электрофореза в гелях продуктов полимеразной цепной реакции (молекулярная биология), мониторинг функционального состояния биологического объекта путем регистрации его газоразрядного свечения в электромагнитном поле высокой напряженности (перспективные медицинские исследования);

2) разработка математической модели ТСС, визуализирующей фотолюминесценцию, и получение на ее основе аналитических выражений, пригодных для инженерных расчетов параметров ТСС, их численного моделирования на ЭВМ и оптимального выбора компонентов системы;

3) разработка принципов построения высокочувствительных ТСС для регистрации фотолюминесценции, работающих в непрерывном и импульсном режимах;

4) разработка принципов построения моноимпульсных ТСС для визуализации газоразрядного свечения;

5) развитие метода компенсации неравномерности сигнала фотоприемника применительно к случаям дополнительного проявления дефектов (например, ячеек с аномально высоким уровнем темнового тока, проявляющихся при прогреве);

6) анализ и развитие методов внутрикадровой и межкадровой обработки изображений и обоснование их применения в ТСС с учетом специфики изображений люминесцирующих объектов, получаемых в рассматриваемых практических приложениях;

7) разработка методов получения количественных характеристик молекулярной массы ДНК по бинарным изображениям люминесцирующих продуктов ПЦР в гелях, а также количества ДНК применительно к задачам молекулярной биологии;

8) разработка метода описания фрактальных структур в бинарных изображениях в виде корневых деревьев (графов), позволяющего проводить классификацию стримеров газоразрядного свечения для использования в качестве диагностических признаков;

9) разработка методов автоматизированной диагностики инфекционных заболеваний по изображениям люминесцирующих продуктов ПЦР;

10) разработка метода мониторинга газоразрядного свечения на основе покадровой съемки газоразрядного свечения и отображения в реальном времени его количественных характеристик;

11) развитие методов отображения визуальной и количественной информации при мониторинге газоразрядного свечения, в частности, метода построения секторных моделей для отображения количественных характеристик и интегральных секторных изображений из произвольно выбираемых фрагментов (секторов) исходной последовательности кадров и метода 3-D графики;

12) анализ методов оценки стабильности аппаратуры и влияния погрешностей определения основных количественных характеристик газоразрядного изображения в результате воздействия дестабилизирующих факторов;

13) экспериментальное подтверждение разработанных и развитых методов и их реализация в серийно выпускаемой аппаратуре.

Методы исследований основаны на теориях фотолюминесценции и фотоэффекта, теории вероятности и математической статистике, теории графов, методах математического моделирования и управления, методах оптимизации, методах цифровой обработки изображений.

Объектом исследования настоящей работы являются процессы получения визуальной информации о фотолюминесценции и электролюминесценции объектов.

Предметом исследования являются методы оптимизации параметров телевизионной спектральной системы с использованием ее математической модели, а также методы извлечения количественной информации при компьютерной обработке двумерных изображений.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1) телевизионная спектральная система (ТСС), регистрирующая фотолюминесценцию, полностью характеризуется источником возбуждения люминесценции (ИВЛ) и приемником люминесценции (ГШ), параметры которых должны быть согласованы со спектральными характеристиками объекта, при этом существует множество оптимальных пар ИВЛ-ПЛ, для которых произведение мощности ИВЛ и чувствительности ПЛ является величиной постоянной для объекта, с заданными люминесцентными свойствами;

2) в идеальной ТСС отсутствуют ограничения по увеличению мощности ИВЛ и ПЛ с целью обнаружения слабо люминесцирующих объектов, однако, для квазиидеальных и реальной ТСС существуют пороговые значения, определяемые соотношением коэффициентов, характеризующих люминесцентные свойства объекта и паразитные световые потоки, проникающие в ПЛ из-за не идеальных спектральных характеристик ИВЛ и ПЛ, при достижении которых увеличение чувствительности ПЛ и мощности ИВЛ является бесполезным для обнаружения слабо люминесцирующих объектов;

3) идентификация фрактальных структур, получаемых при моноимпульсной телевизионной визуализации газоразрядного свечения, может быть осуществлена на основе их представления с помощью корневых деревьев (графов), описываемых характеристической последовательностью вида lm;2n;. Ab;.mi , где 2<А<т,Ь=1,2. .к, т и к - целые числа;

4) определение количества ДНК и молекулярной массы люминесцирующих продуктов полимеразной цепной реакции (ПЦР) в геле связано с определением суммарной интенсивности пикселей люминесцирующего фрагмента и его координат в плоскости изображения, а также калибровкой измерительной системы по изображениям молекулярных маркеров с использованием метода кусочно-линейной аппроксимации, позволяющего минимизировать таблицу аргументов и соответствующих им функций;

5) для оценки стабильности аппаратуры целесообразно использовать п -мерные системы случайных параметров газоразрядного свечения (например, площади, периметра, средней яркости), что позволяет получить дополнительно к общепринятой оценке среднеквадратического отклонения такие характеристики, как ковариации и коэффициенты корреляции измеряемых параметров.

Научная новизна подтверждается следующими научными результатами:

1) разработана математическая модель телевизионной спектральной системы (ТСС), регистрирующей фотолюминесценцию, предназначенная для оценки ее чувствительности и контраста получаемых изображений;

2) найдены аналитические выражения для определения контраста изображений в идеальной и реальной ТСС и оптимального выбора компонентов системы, полученные на основе предложенной математической модели;

3) разработан метод получения количественных характеристик -молекулярной массы и количества ДНК по изображениям люминесцирующих продуктов ПЦР в гелях применительно к задачам молекулярной биологии;

4) созданы методы автоматизированной диагностики инфекционных заболеваний по изображениям люминесцирующих продуктов ПЦР в гелях;

5) разработан метод описания фрактальных структур в бинарных изображениях в виде корневых деревьев (графов), позволяющий проводить классификацию стримеров газоразрядного свечения для использования в качестве диагностических признаков;

6) найден алгоритм выделения и группировки устойчивых (однотипных) кадров изображений в динамической последовательности и формирования информационного кадра для последующего морфологического и количественного анализа характеристик газоразрядного свечения, построенный на основе методов межкадровой обработки;

7) создан метод мониторинга газоразрядного свечения на основе покадровой съемки газоразрядного свечения и отображения в реальном времени его количественных характеристик;

8) разработаны принципы построения высокочувствительных ТСС для визуализации фотолюминесценции в непрерывном и импульсном режимах;

9) разработаны принципы построения моноимпульсных ТСС для визуализации газоразрядного свечения;

10) развит компенсационный метод устранения неравномерности сигнала фотоприемника применительно к случаям проявления дефектов;

11) развиты методы отображения визуальной и количественной информации при мониторинге газоразрядного свечения;

12) проведен анализ методов внутрикадровой и межкадровой обработки изображений с учетом специфики изображений люминесцирующих объектов, получаемых в рассматриваемых практических приложениях, в частности, показана целесообразность сочетания аналоговой внутрикадровой и цифровой межкадровой обработки, а именно: коррекции видеосигнала и цифрового усреднения последовательности кадров для малоконтрастных статических изображений при фотолюминесценции и для выделения устойчивых структур в динамических изображениях газоразрядного свечения;

13) проведен анализ погрешностей определения основных количественных характеристик газоразрядного свечения, в частности, показано положительное смещение оценки периметра газоразрядного свечения и его горизонтальной проекции при увеличении дестабилизирующих факторов, а также предложен ряд дополнительных вероятностных характеристик для оценки стабильности работы аппаратуры;

14) получено экспериментальное подтверждение разработанных и развитых методов и их реализация в серийно выпускаемой аппаратуре.

Практическая значимость работы заключается в том, что на основании общего подхода и методов, изложенных в диссертации, разработан и внедрен в практику криминалистических, молекулярно-биологических и медицинских исследований новый класс аппаратуры -телевизионные спектральные системы для визуализации, обработки и анализа изображений люминесцирующих объектов.

Практическую значимость имеют:

1) математическая модель ТСС и полученные на ее основе аналитические выражения для оценки чувствительности и контраста получаемых изображений для оптимального выбора компонентов системы, а также программное обеспечение для моделирования параметров ТСС;

2) основные алгоритмические принципы обработки изображений люминесцирующих объектов с целью повышения качества их визуального восприятия, получения количественных параметров, отображения результатов анализа и автоматизированной диагностики;

3) специализированное программное обеспечение для управления режимами визуализации, обработки и анализа изображений люминесцирующих объектов;

4) телевизионная аппаратура для криминалистических исследований документов (ТСС-2, ТСС-3, ТСС-ЗМ, ТСС-ЗЦ, Эксперт, Эксперт-Ц, Радуга-2) телевизионная аппаратура для регистрации и исследования продуктов ПЦР при геномной дактилоскопии и при диагностике наследственных и инфекционных заболеваний (ТСС «Люмен», «Гель»), а также приборы и системы для визуализации и исследования газоразрядного свечения («Корона-ТВ», «Стример»).

Личный вклад автора в проведенные исследования заключается в выборе объекта исследований, формулировке и реализации цели и задач работы, в том числе: разработке математической модели и получении аналитических выражений для оценки параметров ТСС, постановке задач и участии в разработке программного обеспечения для моделирования ТСС и специализированных программ ввода и обработки получаемых изображений, руководстве работами по созданию опытных образцов аппаратуры, формулировке основных идей, составляющих сущность методов, изложенных в диссертации.

Достоверность полученных результатов обеспечивается теоретическим и экспериментальным обоснованием выдвинутых положений, а также их реализацией в новой номенклатуре телевизионной аппаратуры прикладного назначения - телевизионных спектральных системах, предназначенных для использования в областях применения, рассмотренных в диссертации. Аппаратура, созданная под непосредственным руководством автора диссертации, включена в номенклатурный каталог «Средства связи, телевидения и радиовещания» Российского агентства по системам управления и Института экономики и комплексных проблем связи (Москва,2000), в каталог изделий медицинской техники, выпускаемых предприятиями радиоэлектронной промышленности и систем управления (РОСПРОМ, Москва, 2006), а также в специализированный номенклатурный каталог «Телевизионные спектральные системы» НИИ промышленного телевидения «Растр» (Великий Новгород).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались в период с 2000-2006гг. на международных и российских конференциях и семинарах. Среди них Всероссийские и Международные конференции:«Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, 2000г.), «Современное телевидение» (Москва, 2001-2006гг.), «Телевидение: передача и обработка изображений» (Санкт-Петербург, 2000г.), «Приборостроение» (Винницы, 2001-2004гг.), «Наука, информация, сознание» (Санкт-Петербург, 2001 и 2004гг.), «Медико-экологические и информационные технологии» (Курск, 2004г.).

Результаты диссертационной работы были использованы при разработке аппаратуры в НИИ промышленного телевидения «Растр» (Великий Новгород), что подтверждено соответствующими актами. В настоящее время аппаратура выпускается серийно и используется в центральных и региональных криминалистических службах различной ведомственной принадлежности (МВД, ГТК, Министерства юстиции, Центрального банка и др.), медицинских учреждениях и исследовательских лабораториях, а также художественно-реставрационных и библиотечных центрах. Созданные образцы аппаратуры защищены патентами РФ на изобретения и отмечены серебряной медалью международного салона изобретений и инноваций «Брюссель-Эврика-96», дипломом специализированной выставки «Интерполитех-2000», а также золотой медалью международного конкурса «Национальная безопасность-2002».

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 60 опубликованных научных работах, из них 1 монография, 19 научных статей, 18 авторских свидетельств и патентов, 4 отчета по НИР и ОКР, 18 тезисов конференций. В работах, выполненных с соавторами, автору диссертации принадлежит постановка задачи, концепция основных методов и анализ полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение, список литературы из 211 наименований, включая 66 работ автора. Основная часть работы изложена на 272 страницах машинописного текста. Работа содержит 98 рисунков и 12 таблиц.

Выводы к главе 5:

1. На основании общего подхода и методов, изложенных в диссертации, разработаны телевизионные спектральные системы для визуализации и анализа изображений люминесцирующих объектов. Телевизионные спектральные системы внедрены в практику криминалистических, молекулярно-биологических и медицинских исследований.

2. Телевизионные спектральные системы являются новой номенклатурой телевизионной аппаратуры прикладного назначения. Аппаратура выпускается серийно и широко используется в рассмотренных в диссертации областях применения. Аппаратура включена в номенклатурный каталог «Средства связи, телевидения и радиовещания» Российского агентства по системам управления и Института экономики и комплексных проблем связи (Москва,2000) , в каталог изделий медицинской техники, выпускаемых предприятиями радиоэлектронной промышленности и систем управления (РОСПРОМ, Москва, 2006), а также в специализированный номенклатурный каталог «Телевизионные спектральные системы» НИИ промышленного телевидения (Великий Новгород). Аппаратура защищена патентами РФ и отмечена почетными дипломами и медалями ряда специализированных выставок и конкурсов.

3. Создан модельный ряд телевизионной аппаратуры для криминалистических исследований документов и других вещественных доказательств, включающий системы экспресс-анализа и системы для углубленных исследований, телевизионная аппаратура для регистрации и исследования продуктов ПЦР при геномной дактилоскопии, диагностике наследственных и инфекционных заболеваний, а также приборы и системы для визуализации и анализа изображений газоразрядного свечения биологических объектов.

4. Создано и официально зарегистрировано специализированное программное обеспечение по управлению режимами визуализации, обработки и анализа изображений люминесцирующих объектов для рассмотренных в диссертации практических приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проблема повышения эффективности технических средств визуализации и обработки изображений люминесцирующих объектов является весьма актуальной для рассмотренных в диссертации практических областей применения: криминалистики, молекулярной биологии и медицины.

Данная проблема носит долговременный характер, поскольку совершенствующиеся методы подготовки исследуемых проб, требуют визуализации предельно малых количеств люминесцирующих веществ.

Составляющие эффективности, а именно: оперативность, чувствительность и объективность проведения исследований могут быть повышены при использовании методов телевизионной визуализации и обработки изображений люминесцирующих объектов, разработке которых и посвящена данная работа.

Повышение оперативности связано непосредственно с заменой фотографических методов визуализации, традиционно применяющихся в рассмотренных прикладных областях, на телевизионные, поскольку исключается долговременный и трудоемкий процесс обработки фотоматериалов.

Повышение чувствительности телевизионных методов связано не только с повышением энергетических характеристик источника возбуждения люминесценции (ИВЛ) и увеличением чувствительности приемника люминесценции (ПЛ), но и с оптимизацией всей телевизионной спектральной системы (ТСС), включающей в себя ИВЛ и ПЛ, с учетом характеристик исследуемого объекта.

Чувствительность реальной системы ограничивается в результате действия паразитных световых потоков, проникающих в фотоприемник из-за не идеальных спектральных характеристик ее компонентов. Оптимизация телевизионной спектральной системы заключается в выборе параметров источника возбуждения люминесценции и приемника люминесценции, которые обеспечивают получение максимального контраста изображения в условиях действующих ограничений.

Вместе с тем, для повышения чувствительности ТСС ее компоненты должны быть максимально возможно согласованы с характеристиками исследуемого объекта. Так, например, при визуализации фотолюминесценции спектральная характеристика ИВЛ должна быть согласована со спектром поглощения люминесцирующего объекта, а спектральная характеристика ПЛ - со спектром его люминесценции.

При визуализации электролюминесценции (газоразрядного свечения) с целью получения наиболее информативного изображения параметры ИВЛ (амплитуда и частота возбуждающих свечение импульсов электрического напряжения) должны быть также согласованы с характеристиками исследуемого объекта, а параметры ПЛ должны быть согласованы со спектральным диапазонам газоразрядного свечения.

Повышение объективности проведения исследований связано с разработкой методов обработки и количественного анализа изображений люминесцирующих объектов, а также их интерпретации с учетом специфики практических приложений. Телевизионные методы анализа позволяют избежать субъективных ошибок, обеспечивают сопоставимость получаемых результатов.

Цель, поставленная в диссертационной работе, а именно: разработка методов телевизионной визуализации люминесцирующих объектов и обработки их изображений для повышения эффективности решений прикладных задач в криминалистических, молекулярно-биологических и медицинских исследованиях достигнута в результате решения сформулированных задач исследований.

Результаты и основные выводы диссертационной работы заключаются в следующем:

1) проведен анализ прикладных задач, требующих визуализации люминесценции, в следующих практических приложениях: техническая экспертиза документов (криминалистика), определение результатов электрофореза в гелях продуктов полимеразной цепной реакции (молекулярная биология), мониторинг функционального состояния биологического объекта путем регистрации его газоразрядного свечения в электромагнитном поле высокой напряженности (перспективные медицинские исследования);

2) выявлены характерные особенности изображений люминесцирующих объектов, позволяющие отнести их к специфическому классу изображений, требующему определенного подхода к проектированию аппаратуры для телевизионной визуализации и обработки получаемых изображений;

3) создана математическая модель телевизионной спектральной системы, визуализирующей фотолюминесценцию;

4) на основе созданной модели получены аналитические выражения для оптимального выбора компонентов системы и оценки ее характеристик;

5) показано наличие множества оптимальных пар: источник возбуждения люминесценции (ИВЛ) - приемник люминесценции (ПЛ) при условии не превышения произведения мощности ИВЛ и чувствительности ПЛ определенных пороговых значений;

6) разработано программное обеспечение для моделирования параметров ТСС и оптимального выбора ее компонентов;

7) развиты принципы построения высокочувствительных ТСС и комплекс методов обработки изображений люминесцирующих объектов, направленных на улучшение визуального восприятия получаемых изображений, выделения диагностических признаков, а также получения количественных характеристик;

8) предложены методы анализа изображений с целью получения количественной оценки содержания ДНК в люминесцирующих продуктах полимеразной цепной реакции;

9) созданы методы качественной и количественной автоматизированной диагностики инфекционных заболеваний по их изображениям;

10) разработан метод телевизионной моноимпульсной визуализации газоразрядного свечения, позволяющий минимизировать воздействие электромагнитным полем на исследуемый объект;

11) предложен метод описания фрактальных структур в бинарных изображениях газоразрядного свечения, получаемых в моноимпульсном режиме, на основе корневых деревьев (графов) с целью классификации и использования в качестве диагностических признаков;

12) разработан метод мониторинга биологического объекта на основе покадровой съемки газоразрядного свечения и отображения в реальном времени его количественных характеристик;

13) развиты методы конструирования секторных моделей для отображения количественных характеристик и интегральных секторных изображений из произвольно выбираемых фрагментов (секторов) исходной последовательности кадров при мониторинге газоразрядного свечения;

14) развиты методы отображения визуальной информации о газоразрядном свечении на основе ЗБ-графики;

15) проведен анализ погрешностей определения основных количественных характеристик газоразрядного изображения в результате воздействия дестабилизирующих факторов;

16) предложены дополнительные вероятностные характеристики для оценки стабильности аппаратуры визуализации газоразрядного свечения;

17) подтверждена эффективность разработанных методов в результате разработок новой телевизионной аппаратуры прикладного назначения и ее внедрения в практику криминалистических, молекулярно-биологических и медицинских исследований;

18) на основе разработанных методов создана новая номенклатура телевизионных систем прикладного назначения - телевизионные спектральные системы (ТСС);

19) создано и официально зарегистрировано специализированное программное обеспечение для ввода и обработки изображений люминесцирующих объектов для рассмотренных в диссертации практических областей применения;

20) созданная аппаратура включена в номенклатурный каталог «Средства связи, телевидения и радиовещания» Российского агентства по системам управления и Института экономики и комплексных проблем связи (Москва, 2000), в каталог изделий медицинской техники, выпускаемых предприятиями радиоэлектронной промышленности и систем управления (РОСПРОМ, Москва, 2006), а также в специализированный номенклатурный каталог «Телевизионные спектральные системы» НИИ промышленного телевидения «Растр» (Великий Новгород), выпускается серийно и широко используется в работе экспертно-криминалистических служб различной ведомственной принадлежности, а также в художественно-реставрационных центрах и медицинских учреждениях;

21) выпускаемая аппаратура защищена патентами РФ и отмечена почетными дипломами и медалями ряда специализированных выставок и конкурсов.

1. Гуревич С.Б. Эффективность и чувствительность телевизионных систем, М-Л. Энергия, 1964. 344с.

2. Хрусталев В.Н. и др. Судебная фотография. Учебник для ВУЗов, изд. «Питер», 2005. 368с.

3. Криминалистика / Под ред. Р.С. Белкина // Юридическая литература, М., 1986. 544с.

4. Павлов И.В. Методы и средства контроля подлинности документов ценных бумаг и денежных знаков / И.В. Павлов, А.И. Потапов / РИО СЗТУ, Санкт-Петербург.2005. 349с.

5. Баранова А.Я. Молекулярная биология / А.Я. Баранова, Н.К. Янковский. М., 1998.

6. Горбунова В.Н. Введение в молекулярную диагностику и генотерапию наследственных заболеваний / В.Н. Горбунова, B.C. Баранов. СПб, 1997, 287с.

7. Теория и практика газоразрядной фотографии / Сб. научных трудов: Кубанский гос. ун-т, Краснодар, 2003, 152с.

8. Короткое К.Г. Основы ГРВ биоэлектрографии. СПб, СПбГИТМО(ТУ), 2001,360с.

9. Ю.Попечителев Е.П. Электрофизиологическая и фотометрическая техника. Теория и проектирование / Е.П. Попечителев, Н.А. Кореневский / М. Высшая шк. 2002. 463с.

10. П.ЛансбергГ.С. Курс общей физики. М. 1976.

11. Геворкян Р.Г. Курс физики. М. 1979.

12. З.Яворский Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф / М. 1977.

13. Ельяшевич М.А. Спектроскопия. М. 1995.15.3айдель А.Н. Техника и практика спектроскопии / А.Н. Зайдель, Г.В. Островская, Ю.И. Островский / М. 1972.

14. Методы и техническая оснащенность криминалистических лабораторий // Иностранная печать о техническом оснащении полиции зарубежных государств. 2000, №8, с.37-39.

15. Методы и техническая оснащенность криминалистических лабораторий. Технические средства для криминалистических исследований // Иностранная печать о техническом оснащении полиции зарубежных государств / №2, 2000, с.35-38.

16. Приборы для определения подлинности ценных бумаг // Иностранная печать о техническом оснащении полиции зарубежных государств. 1998, №7, с.38-39.

17. Спектральный видеокомпаратор VSC-1 / Иностранная печать о техническом оснащении полиции зарубежных государств. 1999, №8, с.2829.

18. Спектральный видеокомпаратор VSC-4 // Иностранная печать о техническом оснащении полиции зарубежных государств. 1999, №8, с.2930.

19. Системы проверки подлинности документов // Иностранная печать о техническом оснащении полиции зарубежных государств. 1999, №6, с.27-28.

20. Методы работы и техническая оснащённость криминалистических лабораторий // Иностранная печать о техническом оснащении полиции зарубежных государств. 2000, № 3, с.25.

21. Система проверки подлинности документов DPS II. // Ежемесячный информационный бюллетень «Иностранная печать о техническом оснащении полиции зарубежных государств»: 1999, № 6, с.21.

22. Шелков В.А. Портативный спектральный видеокомпаратор VSC-4C для криминалистических исследований документов // Специальная техника, 2001, № 5, с.39.

23. Трухачев В.В. Техническое обеспечение проведения экспертизы подлинности документов как один из аспектов экономической безопасности // Специальная техника, 2000, № 1, с.52.

24. Ковалев А.В. Компьютеризированный видеоспектральный компаратор ГИНЕЯ-2 / А.В. Ковалев Ю.А. Хныков, В.Г. Федчишин, Д.Ю. Бражников, О.Ф. Поляков, С.В. Садков, А.С. Студитский / Патент на полезную модель №21453,2001.

25. Кекин А.Г. Аппаратурные средства проверки подлинности документов на основе оптического метода неразрушающего контроля / А.Г. Кекин, А.А. Ковалёв, Д.А. Ковалёв, А.С. Студитский, А.В. Федотов, Ю.А. Хныков // Специальная техника, 2003, № 2, с.30.

26. Вилдис. Каталог продукции. Москва. 2005-2006, 32с.

27. Тарасов В.В. Многоспектральные оптико-телевизионные системы / В.В. Тарасов, Ю.Г. Якушенков / Специальная техника. Вып 4, 2002, с 56-62.

28. Цифровая фотокамера SLR для судебной фотографии // РЖ «Радиотехника»: 2005, № 9, с.27.

29. ЗГПолимеразная цепная реакция в диагностике и контроле лечения инфекционных заболеваний / Под ред. Ю.М. Лопухина // Сб. трудов НИИ физико-химической медицины. Москва, 1998, 167с.

30. Генодиагностика в современной медицине / Сб. тезисов докладов 3-й Всероссийской научно-практической конференции. М., 25-27 янв.2000г., 353с.

31. Лопухов Л.В. Полимеразная цепная реакция в клинической микробиологической диагностике / Л.В. Лопухов, М.В. Эйделыптейн. 2000, № 2(3).34.3алетаев Д.В. ДНК-диагностика в онкологии. М., 2000.

32. Ефремов И.А., Носиков В.В., «Тандемные повторы для типирования личности», М., 1998г.

33. Ивашков Е.А. Некоторые теоретические основы полимеразной цепной реакции // НПФ ДНК-технология. М., 2000.

34. Дубина И.Г. Роль метода полимеразной цепной реакции в генодиагностике», / И.Г. Дубина, С.Н. Щербо // Новые генетические технологии. Сб.№1, М., 1998.

35. Бочкарев Е.Г. Генодиагностика во фтизиатрии / Е.Г. Бочкарев, Т.С. Денисова, Э.В. Генорозов, В.М. Говорун, Е.Ю. Никитченко, JI.H. Черноусова, П.В. Кузнецов // НИИ физико-химической медицины Минздрава РФ. М., 2001,48с.

36. Кудрявцева JI.B. Бактериальный вагиноз / JI.B. Кудрявцева, Е.Н. Ильина, В.М. Говорун, В.И. Минаев, С.В. Зайцева, Е.В. Липова, Э.А. Баткаев // НИИ физико-химической медицины, Москва, 2001, 58с.

37. ПЦР:основы метода, применение ПЦР для диагностики инфекционных заболеваний, организация ПЦР-лаборатории, проведение ПЦР-анализа / НПФ «Литех», М., 2001, 15с.

38. Оборудование и реагенты для ПЦР-лаборатории: ЗАО «Внедрение систем в медицину. Каталог 2001-2002.

39. Molecular Probes. Каталог фирмы «Molecular Probes Inc.», США. 1997.

40. Life Science research product. Каталог фирмы BIO RAD, США. 1997.

41. Promega Product Information. Каталог фирмы Promega, США. 1997.

42. Черницкий E.A., Спектральный люминесцентный анализ в медицине /

43. Е.А. Черницкий, Е. И. Слобожанина. Минск. Наука и техника. 1989.

44. Высокочастотные разряды в электрическом поле конденсатора: фотографирование токами высокой частоты, высокочастотная электронно-ионная оптика / Под ред. А.П. Бойченко. Краснодар. Просвещение Юг, 2003, 200с.

45. Коротков К.Г. Эффект Кирлиан. Изд. «Ольга», СПб, 1995, 215с.

46. От эффекта Кирлиан к Биоэлектрографии / Под. ред. К.Г. Короткова // Изд. «Ольга», СПб, 1998, 344с.

47. Коротков К.Г. Способ диагностики состояния организма человека. Пат. РФ №2217047, 2003г.

48. Короткое К.Г. Способ определения энергоинформационного состояния биологического объекта / К.Г. Короткое, С.А. Короткина, JI. Лехтомаки. Пат. РФ №2141250, б.и. №32, 1999.

49. Галынкин В.А. Способ определения физиологического состояния биологического объекта / В.А. Галынкин, Г.З. Гудакова, А.Н. Жерновой, К.Г. Коротков. А.с. СССР №1377813, б.и. №8, 1988.

50. Шадури М.И. Биоголография / М.И. Шадури, Г.К. Чичинадзе. Изд. «Эслан», М., 2001,112с.

51. Шадури М.И. Незримое, непознанное, очевидное. Центр биоголографии, М., 2005, 240с.

52. Коротков К.Г. Способ определения уровня тревожности человека. Пат. РФ №2210982, б.и. №24, 2003.

53. Бундзен П.И. и др. Новая технология прогнозирования психической готовности спортсменов в Олимпийском спорте // Вестник Спортивной медицины России. 1999, №3(24), с. 13.

54. Биомедицинская информатика и эниология (проблемы, результаты, перспективы) / Под ред. К.Г.Короткова. Изд. «Ольга». СПб, 1995, 236с.

55. Вестник Северо-Западного отделения Академии медико-технических наук РФ / Под ред. К.Г.Короткова. СПб, Агенство «РДК-принт», вып.4, 2001. 176с.

56. Крыжановский Э.В. Исследование растворов электролитов и развитие методики ГРВ-графии для исследования жидкофазных объектов / Э.В. Крыжановский, К.Г. Коротков / Digest Korrect News, СПб, 2001.

57. Коротков К.Г. Исследование временных серий ГРВ-капель сильно и слабо проводящих жидкостей / К.Г. Коротков, Э.В. Крыжановский, М.Б. Борисова / В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2002, с.85.

58. Прияткин Н.С. Перспективы использования метода ГРВ-биоэлектрографии в целях интегральной квалиметрии вод / Н.С. Прияткин, К.Г. Коротков, Э.И. Слепян / В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2002, с.92-93.

59. Крыжановский Э.В. Метод контроля жидкофазных объектов на основе газоразрядной визуализации. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н., Санкт-Петербург, СПбГИТМО , 2003.

60. Баркалов А.В. Применение метода ГРВ при анализе питьевых вод / А.В. Баркалов, М.И. Щевелев, А.Ю. Ащеулов / В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2003, с.26.

61. Баркалов А.В. Использование метода ГРВ для анализа химического состава питьевых вод / А.В. Баркалов, М.И. Щевелев, А.Ю. Ащеулов / В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2004, с. 163.

62. Коротков К.Г. Изучение ГРВ-параметров жидкофазных объектов / К.Г. Коротков, Д.А. Короткин, Э.В. Крыжановский» / «Основы биоэлектрографии Санкт-Петербург, СПбГИТМО, 2002, с.206-215.

63. Шишканов С. Ф. и др. Диссоциация воды в капиллярах и интенсивность ГРВ-свечения жидкостей и человека. В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2005, с.209.

64. Галынкин В.А. Устройство для фотографирования газового разряда от жидкофазных объектов в электрическом поле высокой напряженности / В.А. Галынкин, Г.З. Гудакова, К.Г. Короткое, С.В. Колесников. А.с. СССР №1241181, б.и. №24, 1986.

65. Коротков К.Г. Методика исследования объектов методом динамической ГРВ-графии / К.Г. Коротков, Э.В. Крыжановский, М.Б. Борисова», в сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2001, с.83-85.

66. Ахметели Г.Г. Исследование крови методом динамической ГРВ-графии / Г.Г. Ахметели, М.Б., Борисова, Э.В. Крыжановский, К.Г. Коротков, С.А. Короткина / В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2002, с.64.

67. Крыжановский Э.В. и др. Исследование динамических характеристик газоразрядного свечения жидкофазных объектов. В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2003, с.42.

68. Крыжановский Э.В. Математическое моделирование процессов динамической ГРВ жидкофазных объектов / Э.В. Крыжановский, С.А. Короткина / В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2004, с.171.

69. Баркалов А.В. Сравнительный анализ кирлиановских изображений твердотельных объектов / А.В. Баркалов, М.И. Щевелев, А.Ю. Ащеулов / В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2002, с.61.

70. Баркалов А.В. О газоразрядном свечении поверхности твердотельных объектов / А.В. Баркалов, М.И. Щевелев, А.Ю. Ащеулов / В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2003, с.25.

71. Примаков Д.В. Градиентный метод обработки ГРВ-грамм / Д.В. Примаков, М.И. Щевелев / В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2004, с. 148.

72. Примаков Д.В. Разностный метод обработки ГРВ-грамм / Д.В. Примаков, М.И. Щевелев / В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2004 г., с. 149.

73. Цилинский Л.Я. и др. Эффект Кирлиан в культурах клеток, инфицированных вирусами. В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2005, с.202.

74. Баркалов А.В. Физические аспекты формирования изображения по методу ГРВ / А.В. Баркалов, М.И. Щевелев / В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 1999. с. 10.

75. Кащей Г.Б. Новое программное обеспечение и обработка кирлиановских изображений / Г.Б. Кащей, М.И. Щевелев, А.В. Баркалов, А.Ю. Ащеулов / В сб. трудов международного конгресса «Наука, информация, сознание», Санкт-Петербург, 2000, с.55.

76. Коротков К.Г. Устройство для регистрации газоразрядного свечения биологических объектов / К.Г. Коротков, Н.Д. Кожевников. А.с. СССР №1664286, б.и. №27, 1991.

77. Коротков К.Г. Устройство газоразрядной визуализации изображений / К.Г. Коротков, В.А. Минкин, А.И. Штамм. А.с. СССР №2110824, б.и. №13, 1998г.

78. Коротков К.Г. Работа с прибором ГРВ-камера. Обработка результатов измерений в программах комплекса. Аппаратное обеспечение комплекса /

79. К.Г. Коротков, Б.А. Крылов, С.А. Короткина / СПбГУИТМО, СПб. 2003, 32с.

80. Коротков К.Г. Работа с прибором ГРВ-камера. Обработка результатов измерений в программах комплекса. Программное обеспечение комплекса / К.Г. Коротков, Б.А. Крылов / СПбГУИТМО, СПб, 2003. 20с.

81. Халфин A.M. Основы телевизионной техники. М. Сов. радио, 1955.

82. Халфин A.M. Телевизионная техника. JT. Энергия, 1971. 232с.

83. Телевидение / Под ред. В.Е. Джаконии // Радио и связь, 1986.

84. Ефимова Н. И. Оптимальная телевизионная спектральная система для обнаружения люминесцирующих объектов / Н.И. Ефимова, Н.П. Корнышев: Сб. трудов 10-й н\т конф «Современное телевидение», М., МКБ «Электрон», март 2002.

85. Корнышев Н.П. Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине, НовГУ им. Ярослава Мудрого, Великий Новгород, 2004. 226с.

86. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Наука, М. 1984, 831с.

87. Бронштейн И.А. Справочник по математике / И.А. Бронштейн, К.А. Семендяев / М. Наука, 1986. 544с.

88. Корнышев Н.П. Телевизионные спектральные системы для визуализации люминесцирующих объектов // Вестн. Новг. гос., ун-та. Технические науки. 2005. №34, с. 100-105.

89. Корнышев Н.П. Оптимизация телевизионной спектральной системы для визуализации люминесцирующих объектов // Специальная техника. 2006. №4, с.62-64.

90. Корнышев Н.П. Программа для моделирования компонентов телевизионной спектральной системы и ее оптимизации / Н.П. Корнышев, А.В. Тимофеев. Св. об официальной регистрации №2006613269 от 15.09.06.

91. Мухитдинов М. Светоизлучающие диоды и их применение. / М. Мухитдинов, Э.С. Мусаев / М. Радио и связь, 1988, 88с.

92. Коган J1.M. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М. Энергоатомиздат, 1983,208с.

93. Г. А. Федотов, «Электрические и электронные устройства для фотографии», Ленинград, 1991г.

94. Герасимов Н.Ю. Способ компенсации неравномерности видеосигнала матричного фотоприемника / Н.Ю. Герасимов, И.М. Рубинович / А. с. СССР № 1117858, б. и. №37, 1987.

95. Бычков С.Н. Цифровая коррекция датчиков ТВ-сигналов / С.Н. Бычков, Н.Н. Кузнецов, Б.С. Тимофеев / Техника кино и телевидения, №1, 1985.

96. Исследование путей построения телевизионных средств систем технического зрения, шифр «Микрон» / Научно-технический отчет по НИР №У45844. Новгород. 1987.

97. Разработка комплекса телевизионных средств для систем технического зрения, шифр «Микрон-1» / Отчет по ОКР №У59852. НИИПТ "Растр", Новгород. 1989.

98. Андреева Е.В. Комплекс телевизионных средств для систем технического зрения / Е.В. Андреева, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов, С.Б. Торицин // Приборы и техника эксперимента. 1991. №5,.с.207.

99. Корнышев Н.П. Телевизионная спектральная система / Н.П.Корнышев, О.Ф. Родионов, Н.Г. Трошин. Пат. №2066930, б. и. №26, 1996.

100. Корнышев Н.П. Телевизионная система для контроля документов / Н.П. Корнышев, О.Ф. Родионов. Пат. №2094849, б. и. 30,1997.

101. Смелков В.М. Выбор времени экспозиции для охранной телекамеры в режиме однократного формирования видеосигнала. Специальная техника, вып. 2, 2003, с.25-28.

102. Хромов Л.И. Твердотельное телевидение. Телевизионные системы с переменными параметрами на ПЗС и микропроцессорах / Л.И. Хромов, Н.В. Лебедев, А.К. Цыцулин, А.Н. Куликов / М. Радио и связь, 1986.

103. Куликов А.Н. Реальная разрешающая способность телевизионной камеры. Специальная техника. Вып 2, 2002, с20-26.

104. Куликов А.Н. Телевизионное наблюдение в сложных условиях. Системы безопасности связи и телекоммуникаций, №35, 2000.

105. Цыцулин А.К. Телевидение и космос. Учебн.пособие. СПб ТЭТУ («ЛЭТИ»), 2003.

106. Никитин В.В. Телевидение в системах физической защиты / В.В. Никитин, А.К. Цыцулин / Санкт-Петербург, ЛЭТИ, 2001. 135с.

107. Волков В.Г. Приборы ночного видения новых поколений. Специальная техника. №5, 2001. с.2-8.

108. Блинов Н.И. Телевизионные методы обработки рентгеновских и гамма-изображений / Н.И. Блинов, Е.М. Жуков, Э.Б. Козловский, А.И. Мазуров / М. Энергоатомиздат, 1982. 200с.

109. Цифровое телевидение / Под ред. М.И. Кривошеева // М., Связь, 1980. 262с.

110. Павлидис Т. Алгоритмы машинной графики и обработки изображений. М. Радио и связь, 1986. 400с.

111. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. М., Мир, 1982.

112. Ярославский Л.П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии.Введение в цифровую оптику. Радио и связь, М., 1987. 296с.

113. Очин Е.Ф. Вычислительные системы обработки изображений. Энергоатомиздат, 1989. 136с.

114. Методы компьютерной обработки изображений / Под ред. В.А.Сойера. М. Физматлит. 2001. 784с.

115. Быков Р.Е. Телевидение в биологии и медицине / Р.Е. Быков, Ю.Ф. Коркунов / Энергия, 1968, 223с.

116. Гурвич А.Г. Принципы аналитической биологии и теории клеточных полей. М. Наука, 1991, 288с.

117. Андреева Е.В. Программа для съемки и анализа изображений газоразрядного свечения / Е.В.Андреева, Н.И.Смирнов, Н.П.Корнышев. Св. об официальной регистрации №2006613082 от 01.09.06.

118. Бондарев В.М. Моноимпульсная плазмография человека. Алматы, 1997.

119. Корнышев Н.П. Моноимпульсная газоразрядная визуализация: Сб. трудов межд. н\т конф. «Приборостроение-2004», Винница, 2004.

120. Корнышев Н.П. Метод телевизионной моноимпульсной визуализации газоразрядного свечения: Сб. трудов 14-ой Всероссийской н\т конференции «Современное телевидение», М, ФГУП МКБ «Электрон», март, 2006.

121. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М. Высшая школа, 1983.

122. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М. Радио и связь, 1986.

123. Корнышев Н.П. Техника газоразрядной визуализации (ГРВ) с точки зрения информационной теории связи: Материалы междунар. конгресса по медицинской и прикладной биоэлектрографии «SIS-2001», С-Петербург, 2001.

124. Хромов Л.И. Информационная теория связи на пороге XXI века. ПиК, СПб, 1996, 88с.

125. Хромов Л.И. Информационная революция и виртуальное познание. ЭВС, СПб, 2000, 124с.

126. Филатов В.Н. Поисково-рекуррентный алгоритм измерения параметров движения фрагмента телевизионного изображения. Автометрия, №3, 1991, с.16-20.

127. Корнышев Н.П. Устройство для регистрации движущихся объектов. Пат. №2041500, б.и.№22, 1995.

128. Корнышев Н.П. Устройство для обнаружения движущихся объектов / Н.П. Корнышев, Е.В. Андреева. Пат. №2031545, б.и.№8, 1995.

129. Корнышев Н.П. Устройство для выделения подвижных объектов на изображении. Пат. №2068582, б.и. №30, 1996.

130. Архипов С.А. Устройство для определения центра тяжести изображения объекта / С.А. Архипов, Н.П. Корнышев. Пат. №2040120, б.и. №20, 1995.

131. Максимов В.А. Устройство для счета объектов, расположенных беспорядочно / В.А. Максимов, Е.В. Андреева, Н.П. Корнышев. А.с. № 1179397, б.и. №34,1985.

132. Андреева Е.В. Устройство селекции изображений объектов на базе микропроцессорного комплекта повышенного быстродействия / Е.В. Андреева, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов // Техника средств связи. Техника телевидения. 1985. Вып.1, с.70-73.

133. Андреева Е.В. Телевизионная автоматическая установка «Измеритель-3» / Е.В. Андреева, В.П. Кузьмин, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов, Г.С. Новиков // Приборы и техника эксперимента. 1988. №4, с.227.

134. Коркунов Ю. Ф. Алгоритм селекции изображений объектов произвольной формы / Ю.Ф. Коркунов, Н.П. Корнышев // Техника средств связи. Техника телевидения. 1987. Вып.5, с.44-48.

135. Андреева Е.В. Устройство для селекции и регистрации объектов / Е.В. Андреева, С.А. Архипов, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов. А.с. № 1774357, б.и. №41, 1992.

136. Андреева Е.В. Устройство для счета и измерения размеров объектов / Е.В. Андреева, С.Н. Гречухо, В.А. Каменская, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов, С.П. Плюта. А.с. № 1509961, б.и. №35,1989.

137. Андреева Е.В. Устройство для счета и измерения размеров объектов / Е.В. Андреева, В.А. Каменская, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов, С.П. Плюта. А.с. № 1511756, б.и. №36,1989.

138. Коркунов Ю.Ф. Устройство для выделения объектов на изображении / Ю.Ф.Коркунов, Н.П.Корнышев. А.с. № 1474700, б.и. №15,1989.

139. Андреева Е.В. Устройство для селекции и регистрации объектов / Е.В. Андреева, Ю.Ф.Коркунов, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов. А.с. № 1444845, б.и. №46,1988.

140. Андреева Е.В. Устройство для селекции и счета объектов / Е.В. Андреева, С.Н. Гречухо, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов. А.с. № 1444846, б.и. №46,1988.

141. Коркунов Ю.Ф. Устройство для измерения площади фигуры / Ю.Ф.Коркунов, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов. А.с. № 1451739, б.и. №2,1989.

142. Корнышев Н.П. Устройство для счета и измерения размеров объектов. А.с. № 1501105, б.и. №30, 1989.

143. Корнышев Н.П. Метод количественного анализа бинарных изображений // Техника средств связи. Техника телевидения. 1988. Вып. 4, с.58-66.

144. Яблонский С.В. Введение в дискретную математику. М. Наука, 1986.

145. Алексеев В.Б. Элементы теории графов, схем, автоматов / В.Б. Алексеев, С.А. Ложкин / М. МГУ, 2000.

146. Кузнецов A.JI. Математические задачи стандартизации кирлианографии / А.Л. Кузнецов, К.Г. Короткое, Б.А. Крылов / В сб., «От эффекта Кирлиан к биоэлектрографии», СПб, изд. «Ольга», 1998.

147. Дунин-Барковский И.В. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. Машиностроение, М., 1975, 352с.

148. Домбругов P.M. Телевидение. Киев. Высш.шк. 1979. 176с.

149. Архипов С.А. Устройство для формирования сигналов управления динамической памятью при записи телевизионного сигнала / С.А. Архипов, Н.П. Корнышев. А.с. № 2022893, б.и. №28,1997.

150. Иванов В.И. Устройство для формирования сигналов управления динамической памятью / В.И. Иванов, Н.П. Корнышев / А.с. № 1741141, б.и. №22,1992.

151. Корнышев Н.П. Устройство для ввода и вывода изображений / Н.П. Корнышев, Я.Ю.Гозман, В.И.Иванов. Пат. № 2065204, б.и. №22,1996.

152. Андреева Е.В. Устройство для ввода -вывода изображений / Е.В. Андреева, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов, В.М. Смелков. А.с. № 1797135, б.и. №7,1993.

153. Андреева Е.В. Устройство для ввода —вывода изображений объектов / Е.В. Андреева, С.А. Архипов, Н.П. Корнышев, В.А. Максимов. А.с. № 1829045, б.и. №27,1993г.

154. Корнышев Н.П. Устройство для ввода и вывода изображений. Пат. № 2066928, б.и. №26,1996.

155. Коркунов Ю.Ф. Измерение геометрических параметров объектов при воздействии шума / Ю.Ф. Коркунов, Н.П. Корнышев // Техника средств связи. Техника телевидения. 1990. Вып. 3, с.76-80.

156. Горелик С.Л. Телевизионные измерительные системы / С.Л. Горелик, Б.М. Кац, В.И. Киврин /М. Связь, 1980. 168с.

157. Халфин A.M. О точности телевизионного способа измерения размеров объектов. Вопросы радиоэлектроники. Сер. «Техника телевидения», вып.6, с.24-32.

158. Корнышев Н. П. Оценка влияния шумов на точность измерения геометрических параметров изображений объектов // Деп. рук., №Д07793, ВИМИ, 1988.

159. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей. М., Наука, 1973.

160. Корнышев Н.П. Устройство для формирования маркерных линий на экране видеопросмотрового устройства. Пат. №2041572, б.и. №22, 1995.

161. Максимов В.А. Цифровая линия задержки / В.А. Максимов, Н.П. Корнышев / А.с. № 1190499, б.и. №41,1985.

162. Бондаренко А. Аппаратная реализация систем ввода обработки, хранения и вывода изображений различных телевизионных форматов и стандартов / А. Бондаренко, И. Докучаев, В. Стешенко / Chip News, №2(85), 2004, с34-37.

163. Корнышев Н.П. Количественный анализ телевизионных изображений гелей с люминесцирующими продуктами полимеразной цепной реакции // Проектирование и технология электронных средств. 2006. Вып. 2, с.45-48.

164. Корнышев Н.П. Телевизионный метод определения количества ДНК по изображениям люминесцирующих продуктов полимеразной цепной реакции в гелях // Вестн. Новг. гос., ун-та. Технические науки. 2006. №38.

165. Рыфтин Я.А. Телевизионная система. Теория. Сов. радио, М., 1967, 270с.

166. Рыфтин Я.А. Условия оптимальной работы ТВ систем с частичной и полной дискретизацией изображения. Техника кино и телевидения. №9, 1983, с.48-53.

167. Либенсон М.Н. Автоматизация распознавания телевизионных изображений / М.Н. Либенсон, А.Я. Хесин, Б.А. Янсон / Энергия, 1975.

168. Корнышев Н. П. Телевизионный метод определения количества ДНК по изображениям люминесцирующих продуктов полимеразной цепной реакции в гелях // Вестн. Новг. гос., ун-та. Технические науки. 2006. №38.

169. Ефимова Н.И. Пути автоматизации процесса регистрации результатов исследований при диагностике инфекционных заболеваний в ПЦР-лаборатории / Н.И. Ефимова, Н.П. Корнышев: Сб. трудов междунар. н\т конф. «Приборостроение 2001», Винница-Симеиз,. 2001.

170. Ефимова Н.И. Подход к решению задачи оптимального распределения клинических материалов в гелях при диагностике методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) / Н.И. Ефимова, Н.П. Корнышев: Материалы конференции, посвященной Дню радио, Москва, 2002.

171. Ефимова Н.И. Метод автоматизированной диагностики по изображениям продуктов полимеразной цепной реакции (ПЦР) / Н.И. Ефимова, Н.П. Корнышев, Н.И. Смирнов: Сб. трудов международной н\т конференции «Приборостроение 2002», Винница-Алупка, 2002.

172. Корнышев Н.П. Информационные технологии в диагностике инфекционных заболеваний методом ПЦР // Вестн. Новг. гос., ун-та. Медицинские науки.2005.№32, с.49-52.

173. Андреева Е.В. Программа для съемки и анализа изображений гелей с продуктами полимеразной цепной реакции / Е.В. Андреева, Н.И. Смирнов, Н.П. Корнышев. Св. об официальной регистрации №2006613081 от 01.09.06.

174. Корнышев Н.П. Устройство выбора зон анализа изображений // Техника средств связи. Техника телевидения. 1987. Вып. 2, с.91-98.

175. Бутусов В.В. Телевизионные спектральные системы для криминалистических экспертиз / В.В. Бутусов, Н.П. Корнышев, О.Ф. Родионов, В.И. Челпанов // Специальная техника. 2003. №4, с.24-33.

176. Кузьмин В.П. Вклад новгородского НИИ «РАСТР» в разработку систем и аппаратуры промышленного телевидения / В.П. Кузьмин, В.И. Челпанов, О.Ф. Родионов, В.И. Абрамов, Н.П. Корнышев, С.Б. Торицин,

177. М.Я. Орловский, Я.Ю. Гозман, Г.А. Камышев // Проблемы информатизации. 1998. Вып.2, с.33-40.

178. Бутусов В.В. Телевизионная техника для экспертов-криминалистов / В.В. Бутусов, Н.П. Корнышев, Н.С. Никитин, В.И. Челпанов // Эксперт-криминалист. 2006. №2, с.20-22.

179. Корнышев Н.П. Принципы построения телевизионных спектральных систем для исследования люминесцирующих объектов: Сб. трудов 13-ой Всероссийской н\т конференции «Современное телевидение», М, ФГУП МКБ «Электрон», март, 2005.

180. Кузьмин В.П. и др. НИИ промышленного телевидения «Растр»: современное состояние и перспективы развития прикладных телевизионных систем. Вестник Нов ГУ, №19, 2001,с. 146-151.

181. Телевизионные спектральные системы. Каталог ФГУП НИИ ПТ «Растр», 2005, 35с.

182. Бутусов В.В. Телевизионные спектральные системы. Новые разработки и перспективы развития / В.В.Бутусов, Н.П. Корнышев, В.П.Кузьмин, Н.С.Никитин, В.И. Челпанов / Системы и средства связи телевидения и радиовещания», ЭКОС, Москва, 2006.№1-2, с.41-43.

183. Лощенов В.Б. Матричное светодиодное устройство для флуоресцентной диагностики и фототерапии патологических участков / В.Б. Лощенов, Г.А. Меерович, К.Г Линьков / Пат. РФ № RU 2176475 С1, 2001.

184. Архипов С.А., Устройство для считывания / С.А. Архипов, А.Н. Герасимов, Н.П. Корнышев. Пат. № 2134932, б. и. 23, 1999.

185. Корнышев Н.П. Телевидение в молекулярной биологии: Сб. трудов международной н\т конференции «Телевидение:передача и обработка изображений», СПб , ЛЭТИ , 2000.

186. Корнышев Н.П. Высокочувствительный аппаратно-программный комплекс для исследований следов ДНК в гелях при медико-биологических исследованиях: Сб. трудов международной н\т конференции «Приборостроение 2000», Винница-Симеиз, 2000.

187. Разработка высокочувствительного аппаратно-программного комплекса для автоматизированной обработки изображений следов ДНК в гелях при медико-биологических исследованиях, шифр «Гель» / Отчет по НИОКР №У83807. НИИПТ «Растр». Великий Новгород. 2000.

188. Разработка специализированных устройств газоразрядной визуализации с телевизионным преобразованием сигнала и компьютерной обработкой, шифр «Аура» / Отчет по НИОКР №У83808. НИИПТ «Растр». Великий Новгород. 2000.

189. Петухова С.В. Портативный электронно-оптический блок / С.В. Петухова, В.Е. Антонов, Н.С. Никитин, Н.П. Корнышев. Пат. на промышленный образец №60233 от 16.09.06.

190. Корнышев Н.П. Алгоритм автоматической нормировки телевизионной системы с источником возбуждения электролюминесценции (газоразрядного свечения): Сб. трудов 9-ой международной н\т конференции «Современное телевидение», М, МКБ «Электрон», март, 2001.

191. Корнышев Н.П. Система газоразрядной визуализации «Стример»: Сб. трудов 7-ой международной н\т конференции «Медико-экологические информационные технологии 2004», Курск, 25-26 мая 2004.

192. Корнышев Н.П. Телевизионные системы для визуализации газоразрядного свечения / Н.П. Корнышев, В.П. Кузьмин ,Н.С. Никитин, В.И. Челпанов / Системы и средства связи телевидения и радиовещания», ЭКОС, Москва, 2006.№1-2, с.44-45.

193. Каталог медицинской техники. Издание 11-е, доп. и перераб. Федеральное агентство по промышленности (РОСПРОМ), Управление радиоэлектронной промышленности и систем управления, М. 2006. С.80.