автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка метода и средств контроля показателя ослабления слабомутных сред по изменению контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов

На правах рукописи

ВДОВИН АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ СЛАБОМУТНЫХ СРЕД ПО ИЗМЕНЕНИЮ КОНТРАСТА В ИЗОБРАЖЕНИИ ТЕСТ-ОБЪЕКТА В ВИДЕ ДВУХ ШТРИХОВ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул 2004

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

- доктор технических наук, профессор Пронин Сергей Петрович

- доктор технических наук, профессор Гуляев Павел Юрьевич

- кандидат физико-математических наук, доцент

Соломатин Константин Васильевич

- Институт водных и экологических проблем СО РАН

Защита состоится 29 декабря 2004г. в 14 час на заседании диссертационного совета Д212.004.06 Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова по адресу: 656038 г. Барнаул, ул. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова

Автореферат разослан 29 ноября 2004г.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Контроль мутных сред относятся к числу важнейших задач, стоящих в медицине, микробиологии, химии, промышленности и т. д. По оптическим характеристикам мутных сред определяют концентрацию, состав, форму веществ, находящихся в среде. В связи с бурным развитием микробиологии, химии, генной инженерии появились новые требования к контролю мутных сред. Так, если раньше в микробиологии требовалось определение морфологии микроорганизмов, то теперь на первый план выходит задача определения влияния различных факторов на изменение популяции микроорганизмов, что влияет на рассеивающие и поглощающие свойства среды. Известные средства контроля мутной среды не отвечают современным требованиям. Так, например, известно, что колориметрическим методом контролируют показатель поглощения. Однако с высокой точностью контроль показателя поглощения выполняется только тогда, когда среда - слаборассеивающая. С ростом рассеяния света возрастает погрешность контроля этого показателя. Аналогичный недостаток присутствует и в нефелометрическом методе. Нефелометры используют для контроля рассеивающих свойств.

Обобщенной оптической характеристикой среды является показатель ослабления. Чтобы осуществить контроль показателя ослабления необходимо одновременно применить колориметр и нефелометр, либо прибор, основанный на механическом сканировании. Однако одновременное применение нефелометра и колориметра - задача трудоемкая и дорогостоящая, а применение прибора, основанного на методе механического сканирования, значительно снижает производительность контроля.

Известен метод контроля показателя ослабления среды, который получил название «метод типографского шрифта». В этом методе оператор визуально определяет показатель ослабления по изменению контраста в определенном наборе букв. Однако визуальная реализация этого метода не позволяет выполнить высокопроизводительный и высокоточный контроль показателя ослабления.

В настоящее время технические и вычислительные средства позволяют разработать метод контроля показателя ослабления, который значительно превысит возможности метода типографского шрифта.

Целью работы является разработка метода и средств контроля показателя ослабления слабомутных сред по изменению контраста в изображении тест-объекта с помощью видеокамеры на основе многоэлементного фотоприемника.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать экспериментальную установку, включающую в себя тест-объект, видеокамеру, персональный компьютер и специализированное программное обеспечение;

- провести экспериментальные исследования зависимости контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности различных слабомутных сред с применением стандартного колориметра фотоэлектрического КФК-2МП;

- разработать математическую модель зависимости контраста в изображении тест-объекта от показателя ослабления;

- разработать методики контроля показателя ослабления по изменению контраста в изображении тест-объекта для различных слабомутных сред и внедрить в НИИ и на производстве.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель зависимости между значением контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов с коэффициентом заполнения равным 0,5 и показателем ослабления среды;

- разработан метод контроля показателя ослабления, отличающийся от субъективного метода типографского шрифта научно установленной количественной зависимостью между значением контраста в изображении тест-объекта и показателем ослабления.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанный метод позволяет выполнять высокопроизводительный и высокоточный контроль показателя ослабления среды. Результаты диссертационной работы могут быть положены в основу контроля не только жидких сред, но и аэродисперсных систем. Метод измерения и контроля показателя ослабления используется в учебном процессе Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова для студентов специальности 19.09.00 «Информационные техника и технологии».

Реализация результатов исследований. Методики и программа, разработанные в диссертационной работе, были внедрены в Государственном унитарном научном центре клинической и экспериментальной медицины СО РАМН в г. Новосибирске, ОАО «Барнаульский геофизический завод» и в Алтайском приборостроительном заводе «Ротор».

На защиту выносятся:

Программно-аппаратный комплекс и результаты экспериментальных исследований.

Математическая модель зависимости изменения показателя

ослабления от коьпрастаддаа^ажении тест-объекта.

ослабления слабомутных сред по

ния от контрастам

да305^^ л, * -

изменению ксде|?<ш1ЬшЛбраж|рнии тест-объекта в виде двух штрихов.

М1тод р*цШМ*йАально1р контраста в изображении двух светлых

штрихов^

I ги «*

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация», Барнаул, 2002 - 2004г.

- Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин», Нижний Новгород, 2004г.

- Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Наука и молодежь», Барнаул, 2004г.

- Международном конгрессе «Биоинформатика. Биоинформационные и биоэнергоинформационные технологию), Барнаул, 2001 — 2003г.

Публикации. Основное содержание работы изложено в одиннадцати публикациях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, изложена на 120 листах, содержит 13 рисунков, список литературы из 89 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель диссертационной работы

Первая глава посвящена анализу существующих методов и средств контроля. В основу анализа положена совокупность фотометрических показателей (поглощения, рассеяния, ослабления). Рассмотрены следующие методы контроля мутной среды: колориметрический, нефелометрический, турбидиметрический, спектрофотометрический, метод механического сканирования и метод типографского шрифта. На основе анализа основных методов контроля мутной среды разработана классификация и показано, что метод типографского шрифта потенциально может удовлетворить требованиям, предъявляемым к контролю мутной среды. Основным отличием этого метода от других, является применение тест-объекта вместо параллельного пучка. Параллельный пучок света является эквивалентом тест-объекта в виде бесконечно удаленной точки. В методе типографского шрифта текст можно представить как тест-объект в виде амплитудного растра. В изображении амплитудного растра содержится больше информации, чем в изображении бесконечно удаленной точки. В частности, изменение значения контраста. В методе типографского шрифта фактически о показателе ослабления судят по контрасту изображения букв.

В настоящее время в достаточной степени разработан математический аппарат и технические средства для измерения и контроля контраста в изображении тест-объекта. По контрасту изображения судят о качестве оптико-электронного прибора (ОЭП).

Для слабомутных сред контраст изменяется не только за счет аппаратной функции, но и функции рассеяния характеризующей среду.

При переходе слаборассеивающей среды в сильнорассеивающую изменяется и функция рассеяния. Для анализа контраста в изображении можно применить развертывающий фотоприемник.

Таким образом, используя амплитудный растр, видеокамеру с многоэлементным фотоприемником, новейшие вычислительные средства и известный математический аппарат можно будет по изменению контраста судить об изменении оптических свойств мутной среды.

Во второй главе дано описание экспериментальной установки, приводятся оценка погрешности экспериментальной установки, описание программы для исследования изменения контраста от оптической плотности, рассматриваются результаты экспериментальных исследований зависимости контраста изображения от оптической плотности. Необходимо отметить что в колориметре фотоэлектрическом вместо оптической плотности фактически измеряется показатель ослабления.

Внешний вид и структурная схема программно-аппаратного комплекса представлены на рис. 1. Программно-экспериментальный комплекс состоит из следующих основных блоков и узлов: видеокамеры, персонального компьютера, осветителя и тест-объекта. Принцип действия программно-аппаратного комплекса заключается в следующем. После включения персонального компьютера 3, видеокамеры 2 и осветителя 5, изображение тест-объекта 4 поступает в видеокамеру 2 и затем в персональный компьютер 3 в формате «*.ВМР». Изображение обрабатывается программой. Процесс измерения контраста в изображении повторяется заданное количество раз. В экспериментальной установке предусмотрен сбор и хранение изображений тест-объекта в видеокамере, с последующей обработкой изображений с помощью программы.

Рис. 1. Структурная схема аппаратного комплекса: 1 - пробирка с исследуемой средой, 2 - видеокамера на основе ПЗС-фотоприемника, 3 -персональный компьютер с установлены программным обеспечением, 4 -тест-объект в виде двух штрихов, 5 - осветитель.

2

Программное обеспечение позволяет определять значения изменения интенсивности по выбранной линии в изображении тест-объекта и формировать массив данных необходимое количество раз. По этому массиву автоматически рассчитываются значения контраста и затем строится график изменения контраста по кадрам. Изменения контраста могут быть представлены как графически, так и таблицей значений. В программе заложены базовые функции, которые позволяют задать математическую формулу, описывающую соотношение между значением контраста и оптической плотности, или между значением контраста и коэффициентом пропускания, или между значением контраста и показателем поглощения. В список базовых функций входят тригонометрические, логарифмические, арифметические операции и т. д. В программе предусмотрен автоматический расчет изменения контраста. Для этого необходимо только выбрать расположение линии измерения значений интенсивностей и не изменять пространственного положения пробирки.

База данных программы разработана в формате «Paradox» и представляет собой 2 таблицы, связанные соотношением «один к многим». В первой таблице хранятся значения контраста, вычисленного по одному кадру, а во второй таблице хранятся значения интенсивностей связанные с этим контрастом.

Известно, что сигнал в изображении между двух штрихов изменяется по следующему закону:

где - параметр М, определяющий отношение функции рассеяния к

размеру штриха; К3 — коэффициент заполн к а-змср одного

1 А

штриха; А — расстояние между двух штрихов в пространстве изображений.

Рис. 2. График изменения сигнала между двух штрихов от параметра М и коэффициента заполнения К3=0,5.

Физическим аналогом сигнала g в экспериментальной установке является интенсивность /.

Значение контраста определяется в следующем виде:

где 1тах ~~ интенсивность сигнала светлой полосы тест-объекта; интенсивность сигнала темного промежутка тест-объекта.

Из (1) и (2) можно выделить погрешности, возникающие в основных узлах экспериментальной установки при контроле оптической плотности:

- погрешность контроля показателя ослабления, вызванная размерами тест-объекта и его изготовлением;

- погрешность контроля показателя ослабления, вызванная формой сосуда с исследуемой средой;

- погрешность контроля показателя ослабления, вызванная изменением освещенности;

- погрешность контроля показателя ослабления, вызванная случайным шумом многоэлементного фотоприемника видеокамеры.

Общая погрешность будет определена по формуле:

S = S2 +/>г +S1 +S2 i (jy

общ \ тсст-е&ьект шлрабар пробирка шум

В диссертационной работе выполнен анализ оценка этих погрешностей. Общая погрешность не будет превышать

В связи с тем, что среды обладают различными рассеивающими и поглощающими свойствами, необходимо провести эксперименты над несколькими средами, которые отличаются друг от друга этими свойствами. В качестве сильно рассеивающей среды был выбран раствор молока. В качестве хорошо поглощающей среды был выбран раствор марганца. Третьей исследуемой средой должна стать среда, занимающая по поглощающим и рассеивающим свойствам промежуточное положение между первой и второй средами. В качестве третьей исследуемой среды была выбрана культура Candida albicans штамм 66. В связи с этим были проведены следующие экспериментальные исследования.

1. Экспериментальные исследования изменения контраста в изображении тест-объекта от изменения оптической плотности микроорганизмов в жидкой питательной среде.

2. Экспериментальные исследования изменения контраста в изображении тест-объекта от изменения оптической плотности раствора марганца.

3. Экспериментальные исследования изменения контраста в изображении тест-объекта от изменения оптической плотности молока.

В общем случае экспериментальные исследования проводились следующим образом.

На рабочем столе устанавливали штатив с видеокамерой. Рядом со штативом устанавливали осветитель. На расстоянии 1,1 м от штатива помещали штатив для пробирок с исследуемой культурой. Позади штатива для пробирок устанавливали тест-объект. Видеокамеру устанавливали таким образом, чтобы все три пробирки с исследуемой культурой и тест-объект находились в поле зрения объектива видеокамеры. В течении определенного времени проводили фиксацию изображения с помощью видеокамеры. Одновременно проводили замер оптической плотности культуры с помощью колориметра КФК-2МП. После проведения эксперимента полученные данные переносили в компьютер с помощью платы TV-tuner.

По выходной таблице программы «Bacteria» определяли значения контраста для каждого изображения. По значениям оптической плотности, найденным с помощью колориметра, и значениям контраста изображений проводили корреляционный анализ и строили регрессионный график.

Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности микроорганизмов в жидкой питательной среде показали следующие результаты.

Коэффициент корреляции составляет 0,97 для 26 пар значений контраста и оптической плотности. В результате регрессионного анализа получена линейная зависимость логарифма контраста изображения от оптической плотности:

Тангенс угла наклона регрессионной линии составляет 1,86. Погрешность результата измерения составляет 0,39%.

л.зоь

1.5 1.35

• ••

1.2

1.05 0.9

0 75

0.6 0 45 0.3

0.15

.0.131,

1 1

' ! *

\ \ / ... . 1 _____

><_!_!__ ¿г \ « ^ 1

1 ;

| 1 |

г • * > 1 I 1

• 1 I 1 | 1 |

0 0 08 0 16 0.24 0.32 0.4 0 48 0.56 0 64 0.72 0.8

ДОЬ

О

Оптическая плотность О, отн. ед.

1.0.71 Ь

Рис. 3. График зависимости логарифма контраста от оптической плотности микроорганизмов в жидкой питательной среде Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности раствора марганца показали следующие результаты.

Коэффициент корреляции составляет 0,97 для 24 пар значений контраста и оптической плотности. Погрешность результата измерения составляет 0,56%.

В результате регрессионного анализа получена линейная зависимость логарифма контраста изображения от оптической плотности

LgK = 0 661 В+0,394 (5)

Тангенс угла наклона регрессионной линии составляет 0,66

О 0 15 0 3 0 45 0 6 0 75 0 9 1 05 1 2 1 35 1 5

Л D J 5.

Оптическая плотность, отн ед

Рис 4 График зависимости логарифма контраста от оптической плотности раствора марганца Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности раствора молока показали следующие результаты

Коэффициент корреляции составляет 0,88 для 23 пар значений контраста и оптической плотности Погрешность контроля составляет 1,6%

В результате регрессионного анализа получена линейная зависимость логарифма контраста изображения от оптической плотности

-1^ = 5,1603 0+1,327 (6)

Тангенс угла наклона регрессионной линии составляет 5,16

Л Б ,0.2,

Оптическая плотность Б, отн. ед.

Рис. 5. График зависимости логарифма контраста от оптической плотности

молока

На рис. 6 изображены графики зависимости логарифма контраста от оптической плотности для культуры микроорганизмов, раствора марганца и молока.

Таким образом, у веществ с сильно выраженными рассеивающими свойствами тангенс угла наклона регрессионной линии больше, чем у веществ с выраженными поглощающими свойствами. Высокий коэффициент корреляции подтверждает линейную зависимость между логарифмом контраста и каждой из исследуемых сред. Погрешность результата измерения показателя ослабления не превышает 1,63 %.

л и х

Оптическая плотность D, отн. ед.

Рис. 6 Графики зависимости логарифмов контраста суспензии бактерий - LgK6aKTepmi(D), раствора марганца - LgKMapIaHen,(D), молока- LgКмолоко(О) от оптической плотности Б Третья глава посвящена разработке математической модели зависимости показателя ослабления среды от контраста в изображении тест-объекта в виде двух светлых штрихов, методу контроля показателя ослабления и методу расчета начального контраста в изображении двух светлых штрихов.

Согласно анализу экспериментальных данных, приведенному в главе 2, между контрастом в изображении тест-объекта в виде двух светлых штрихов и показателем ослабления среды существует функциональная связь. Так как значение показателя ослабления среды является логарифмической функцией от интенсивностей световых потоков, то можно предположить, что между логарифмом контраста в изображении тест-объекта в виде двух светлых штрихов и коэффициентом ослабления среды существует линейная зависимость.

Запишем уравнение прямой в общем виде:

lgK = ylg +b'

где Со - постоянная физическая величина. Тогда уравнение (7) мож

lg£-lgC0=rlg •

(8)

Из уравнения (8) получим равенства

К = С0

(9)

\gK = lgC0+fx-

Из выражения (10) определим коэффициент ослабления ц:

(10)

(11)

Из формулы (11) следует метод измерения и контроля коэффициента ослабления:

1. Зафиксировать изображение светлых штрихов без среды.

2. Задать начальный контраст Со в диапазоне 0,3 + 0,35.

3. Зафиксировать изображение светлых штрихов со средой.

4. Вычислить показатель ослабления по формуле (11).

Существенное отличие измерения показателя ослабления ц

заключается в том, что отпадает необходимость измерять интенсивность под разными углами рассеяния. Это отличие исключает механическое сканирование.

Изменение оптических свойств среды выражается через параметр функции рассеяния 2а. Следовательно, параметр М тоже определяется оптическими свойствами среды. Так как с параметром М связана интенсивность сигнала между светлыми штрихами, то, имея диапазон изменения экспериментальных данных /, определим пределы изменения параметрам

Таким образом, по изменению сигнала между двух штрихов можно рассчитать 2а. Однако пользоваться формулой (1) для этой цели представляет большую сложность, поскольку искомая переменная 2а является аргументом функции интеграла вероятности Выражение (1) можно упростить.

Оценим функции erf в числителе и знаменателе (1) по изменению их аргументов.

Рассмотрим функцию с;у| ^ + | в уравнении (1) и определим

\.МК42)

значение функции в заданных пределах параметра М:

1,5 ПриМ = [0,70 ... 1,17],fl W.

{M-0,5~J2J

fl = e^k) = eü

Рассмотрим функцию в уравнении (1) и определим

значение функции в заданных пределах параметра М:

Рассмотрим функцию в уравнении (1) и определим

значение функции в заданных пределах параметра М:

15_I При М = [0,70 ...1,17],J3 W.

M-0,5-T¡2)

Таким образом, выражение (1) можно преобразовать к виду:

°=Иш)}

-1

(12)

Примем разложение функции ег/@) в степенной ряд и возьмем первое приближение, тогда выражение примет вид:

1{М)Х

М-2-Jl " Гх '

1-

(13)

Полученная формула позволяет рассчитать диапазон изменения показателя ослабления среды, в котором контраст в изображении тест-оъекта имеет линейный характер.

В четвертой главе приведено описание программно-аппаратного комплекса, разработаны методики контроля показателя ослабления для различных сред.

Разработка методик основывается на методе контроля показателя ослабления с помощью тест-объекта в виде амплитудного растра и применении программы «Bacteria». В данной главе изложено применение метода для контроля концентрации клеток ткани. Разработанная методика была апробирована и внедрена в лаборатории морфологии и культуры тканей ГУНЦИКЭМ СО РАМН в г. Новосибирске.

Также данный метод применен для контроля содержания марганца в

стали.

Разработанная методика была апробирована и внедрена в лаборатории химического анализа ОАО «Барнаульский геофизический завод». Разработанный метод может быть использован для контроля газообразных сред. В частности, разработанная в главе 3, методика апробирована и внедрена на участке «Медтехника» ОАО Алтайского приборостроительного завода «Ротор» для контроля производительности распыления ингалятора ультразвукового типа «Муссон».

Основные результаты и выводы

1. Разработан новый метод контроля показателя ослабления слабомутной среды по изменению контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов. Реализация метода обеспечивает контроль показателя ослабления при минимальном объеме среды 40 мл, время контроля составляет 0,02 с, случайная погрешность не превышает 1,62%.

2. Разработано программное обеспечение, позволяющее получать выходные данные, которые могут быть использованы для решения научных и производственных измерений значения контраста и показателя ослабления.

3. Экспериментально установлено, что зависимость между логарифмом контраста и оптической плотностью носит линейный характер. Коэффициент линейной корреляции для различных сред при количестве экспериментальных пар от 23 до 26, лежит в диапазоне от 0,88 до 0,97.

4. Проведенные эксперименты показали изменение тангенса угла наклона линии регрессии, описывающей зависимость контраста от оптической плотности среды. Тангенс угла наклона возрастает с увеличением показателя рассеяния исследуемой среды.

5. Установлено, что тест-объект, обладающий размерами светлого штриха равным 2 мм и коэффициентом заполнения равным 0,5, является оптимальным по критерию линейного изменения контраста в максимальном диапазоне контроля и минимальной систематической погрешности контроля. При этом величина логарифма начального контраста в изображении должна составлять

6. На основе экспериментальных данных получена математическая модель зависимости контраста в изображении тест-объекта от показателя ослабления среды. Из математической модели разработана инженерная формула расчета показателя ослабления. Показатель ослабления обратно пропорционален толщине слоя контролируемой среды и прямо пропорционален логарифму отношения измеряемого контраста к начальному.

7. Разработан метод контроля показателя ослабления суспензии клеток в жидкой питательной среде. Метод и программное обеспечение внедрены в Государственном унитарном научном центре

клинической и экспериментальной медицины СО РАМН в г. Новосибирске. Разработан метод контроля показателя ослабления раствора марганца. Метод и программное обеспечение внедрены в лаборатории химического анализа ОАО «Барнаульский геофизический завод». Разработан метод контроля показателя ослабления аэрозоля, применяемого в ингаляторе ультразвукового типа «Муссон». Метод и программное обеспечение внедрены в группе медицинских приборов Алтайского

приборостроительного завода «Ротор».

Основной материал диссертации изложен в публикациях:

1. Госьков П. И. Пронин С. П. Вдовин А. А. Испытание информационно-измерительноого оптико-электронного прибора (ОЭП), предназначенного для изучения простейших биологических объектов // Доклады 4-ого Международного конгресса «Биоинформатика. Биоинформационные и биоэнергоинформационные технологии» («БЭИТ-2001»).- Барнаул:АлтГТУ, 2001г. Т.1. Ч. 3 С. 3.

2. Госьков П. И., Бутакова Л. Ю., Пронин С. П., Вдовин А. А., Кондрашова А. Г., Прокопьев В. В. Проектирование программного обеспечения оптико-электронного прибора для определения количества микроорганизмов. // Доклады 5-ого Международного конгресса «Биоинформатика. Биоинформационные и биоэнергоинформационные технологии» («БЭИТ-2002»).-Барнаул:АлтГТУ, 2002г. Т.5. С. 30-33.

3. Госьков П. И. Пронин С. П. Вдовин А. А. Анализ средств измерения коэффициента ослабления с помощью колориметра и оптико-электронного прибора // Измерение, контроль, информатизация: материалы 5-ой международной научно-технической конференции -Барнаул:АлтГТУ, 2004г. - с. 37.

4. Госьков П. И., Кондрашова А. Г., Вдовин А. А.Определение влияния тонкой космической энергии РЕЙКИ на раствор марганца с помощью оптико-электронной информационно-измерительной системы // Доклады 6-ого Международного конгресса «Биоинформатика. Биоинформационные и биоэнергоинформационные технологии» («БЭИТ-2003»).- Барнаул:АлтГТУ, 2003г. Т.1. С. 91-92.

5. Вдовин А.А. Пронин С. П. Анализ средств измерений коэффициента ослабления. // Измерении, контроль, информатизация: Материалы 4-ой международной НТК-Барнаул: АлтГТУ 2003 с. 37-39.

6. Вдовин А. А. Определение концентрации растворенного вещества методом теневой проекции (Bacteria). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611518 Российское агентство по патентам и товарным знакам РОСПАТЕНТ. Дата регистрации -25.06.2003.

7. Вдовин А. А. Пронин С. П.Зависимость контраста в изображении тест-объекта от оптических свойств среды//Методы и средства измерений физических величин: Материалы девятой всероссийской научно-технической конференции. - Нижний Новгород, 2004г. - С. 2.

8. Пронин С. П. Вдовин А. А. Анализ методов и средств контроля показателя ослабления // Измерение, контроль, информатизация: Материалы 5-ой международной научно-технической конференции - Барнаул 2004г. - С. 37.

9. Вдовин А. А., Костенко Е. Б., Пронин С. П. Применение технологий искусственного интеллекта для контроля концентрации растворенных веществ с помощью оптико-электронной информационно-измерительной системы // Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Наука и молодежь». Секция «Информационные технологии»., подсекция «Программное обеспечение в вычислительной технике и автоматизированных систем» с. 65. /http://edu.secna.iu/main/ieview/TopH3OHTbi образования. 2004 в 6/ 62.

10. Вдовин А. А. Определение роста популяции микроорганизмов с помощью оптико-электронного прибора на ПЗС-фотоприемнике. // Измерение, контроль, информатизация: Материалы 3-ей международной научно-технической конференции. - Барнаул, 2002г. - С. 52-55.

11. Вдовин А. А. Определение количества микроорганизмов, находящихся в жидкой питательной среде с помощью оптико-электронного прибора (ОЭП) на ПЗС-фотоприемнике// Измерение, контроль, информатизация: Материалы 3-ей международной научно-технической конференции. - Барнаул, 2002г. - С. 55-58.

©

Подписано в печать 29 11 2004 Формат 60x84 1Д6 Печать - ризография Уел п л 1,16 Учиздл 0,87 Тираж 100 экз Заказ 88/2004

Издатечьство Алтайского государственного технического университета им ИИ Ползунова, 656038, г Барнаул, пр-т Ленина, 46 Лицензии ЛР № 020822 от 21 09 98 года, ПЛД № 28-35 от 15 07 97 Отпечатано в ЦОП АлтГТУ 656038, г Барнаул, пр-т Ленина, 46

126121

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО МЕТОДАМ И СРЕДСТВАМ КОНТРОЛЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЛАБОМУТНЫХ СРЕД.

1.1. Классификация оптических методов и средств контроля слабомутных сред.

1.2. Анализ методов и средств контроля оптических свойств слабомутных сред и задачи диссертационных исследований.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ КОНТРАСТА В ИЗОБРАЖЕНИИ ТЕСТ-ОБЪЕКТА В ВИДЕ ДВУХ ШТРИХОВ ОТ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ СРЕДЫ.

2.1 Описание программно-аппаратного комплекса для исследования изменения контраста от оптической плотности среды.

2.2 Выбор геометрических размеров тест-объекта и оценка погрешности при его изготовлении.

2.3 Расчет погрешности контроля показателя ослабления, вызванной формой сосуда.

2.4 Погрешность контроля показателя ослабления, вызванная изменением внешней освещенности.

2.5 Погрешность контроля показателя ослабления, вызванная шумом многоэлементного фотоприемника видеокамеры.

2.6 Погрешность контроля показателя ослабления вносимая погрешностью эталонного прибора и общая погрешность.

2.7 Выбор слабомутных сред для экспериментальных исследований.

2.8 Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности микроорганизмов в жидкой питательной среде.

2.9 Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности раствора марганца.

2.10 Экспериментальные исследования контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности раствора молока.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОНТРОЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ СЛАБОМУТНЫХ СРЕД ПО ИЗМЕНЕНИЮ КОНТРАСТА В

ИЗОБРАЖЕНИИ ТЕСТ-ОБЪЕКТА.

3.1. Разработка математической модели зависимости показателя ослабления от контраста в изображении тест-объекта.

3.2 Метод определения зависимости значения импульса между двух штрихов от параметра М.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИК И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД ПО ПОКАЗАТЕЛЮ ОСЛАБЛЕНИЯ.

4.1 Описание программно-аппаратного комплекса.

4.2 Методика контроля концентрации клеток ткани.

4.3 Методика контроля концентрации раствора марганца.

4.4 Методика контроля производительности ингалятора ультразвукового типа «Муссон».

ВЫВОДЫ.

Контроль мутных сред относятся к числу важнейших задач, стоящих в медицине, микробиологии, химии, промышленности и т. д. По оптическим характеристикам мутных сред определяют концентрацию, состав, форму веществ, находящихся в среде. В связи с бурным развитием микробиологии, химии, генной инженерии появились новые требования к контролю мутных сред. Так, если раньше в микробиологии требовалось определение морфологии микроорганизмов, то теперь на первый план выходит задача определения влияния различных факторов на изменение популяции микроорганизмов, что влияет на рассеивающие и поглощающие свойства среды. Известные средства контроля мутной среды не отвечают современным требованиям. Так, например, известно, что колориметрическим методом контролируют показатель поглощения. Однако с высокой точностью контроль показателя поглощения выполняется только тогда, когда среда - слаборассеивающая. С ростом рассеяния света возрастает погрешность контроля этого показателя. Аналогичный недостаток присутствует и в нефелометрическом методе. Нефелометры используют для контроля рассеивающих свойств.

Обобщенной оптической характеристикой среды является показатель ослабления. Чтобы осуществить контроль показателя ослабления необходимо одновременно применить колориметр и нефелометр, либо прибор, основанный на механическом сканировании. Однако одновременное применение нефелометра и колориметра - задача трудоемкая и дорогостоящая, а применение прибора, основанного на методе механического сканирования, значительно снижает производительность контроля.

Известен метод контроля показателя ослабления среды, который получил название «метод типографского шрифта». В этом методе оператор визуально определяет показатель ослабления по изменению контраста в определенном наборе букв. Однако визуальная реализация этого метода не позволяет выполнить высокопроизводительный и высокоточный контроль показателя ослабления.

В настоящее время технические и вычислительные средства позволяют разработать метод контроля показателя ослабления, который значительно превысит возможности метода типографского шрифта.

Целью работы является разработка метода и средств контроля показателя ослабления слабомутных сред по изменению контраста в изображении тест-объекта с помощью видеокамеры на основе многоэлементного фотоприемника.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать экспериментальную установку, включающую в себя тест-объект, видеокамеру, персональный компьютер и специализированное программное обеспечение;

- провести экспериментальные исследования зависимости контраста в изображении тест-объекта от оптической плотности различных слабомутных сред с применением стандартного колориметра фотоэлектрического КФК-2МП, как эталонного прибора;

- разработать математическую модель зависимости контраста в изображении тест-объекта от показателя ослабления;

- разработать методики контроля показателя ослабления по изменению контраста в изображении тест-объекта для различных слабомутных сред и внедрить в НИИ и на производстве.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель зависимости между значением контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов с коэффициентом заполнения равным 0,5 и показателем ослабления среды;

- разработан метод контроля показателя ослабления, отличающийся от субъективного метода типографского шрифта научно установленной количественной зависимостью между значением контраста в изображении тест-объекта и показателем ослабления.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод позволяет выполнять высокопроизводительный и высокоточный контроль показателя ослабления среды. Результаты диссертационной работы могут быть положены в основу контроля не только жидких сред, но и аэродисперсных систем. Метод измерения и контроля показателя ослабления используется в учебном процессе Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова для студентов специальности 19.09.00 «Информационно-измерительная техника и технологии».

Реализация и внедрение результатов исследований. Методики и программа, разработанные в диссертационной работе, были внедрены в Государственном унитарном научном центре клинической и экспериментальной медицины СО РАМН в г. Новосибирске, ОАО «Барнаульский геофизический завод» и на Алтайском приборостроительном заводе «Ротор».

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация», Барнаул, 2002г., 2003г., 2004г.;

- всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин», Нижний Новгород, 2004г.;

- всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Наука и молодежь», Барнаул, 2004г.;

- международном конгрессе «Биоинформатика. Биоинформационные и биоэнергоинформационные технологии», Барнаул, 2001г., 2002г., 2003г.

Публикации. Основное содержание работы изложено в одиннадцати публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, изложена на 120 листах, содержит 13 рисунков, 10 таблиц и списка литературы из 89 наименований.

ВЫВОДЫ

1. Разработана методика контроля показателя ослабления суспензии клеток в жидкой питательной среде. Методика и программное обеспечение внедрены в Государственном унитарном научном центре клинической и экспериментальной медицины СО РАМН в г. Новосибирске.

2. Разработана методика контроля показателя ослабления раствора марганца. Методика и программное обеспечение внедрены в лаборатории химического анализа ОАО «Барнаульский геофизический завод».

3. Разработана методика контроля показателя ослабления аэрозоля, применяемого в ингаляторе ультразвукового типа «Муссон». Методика и программное обеспечение внедрены в группе медицинских приборов Алтайского приборостроительного завода «Ротор».

- 77 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе исследована зависимость контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов и показателя ослабления слабомутной среды. На основе анализа результатов диссертационной работы получены следующие выводы.

1. Разработан новый метод контроля показателя ослабления слабомутной среды по изменению контраста в изображении тест-объекта в виде двух штрихов. Реализация метода обеспечивает контроль показателя ослабления при минимальном объеме среды 40 мл, время контроля составляет 0,02 с, случайная погрешность не превышает 1,62%.

2. Разработано программное обеспечение, позволяющее получать выходные данные, которые могут быть использованы для решения научных и производственных измерений значения контраста и показателя ослабления.

3. Экспериментально установлено, что зависимость между логарифмом контраста и оптической плотностью носит линейный характер. Коэффициент линейной корреляции для различных сред при количестве экспериментальных пар от 23 до 26, лежит в диапазоне от 0,88 до 0,97.

4. Проведенные эксперименты показали изменение тангенса угла наклона линии регрессии, описывающей зависимость контраста от оптической плотности среды. Тангенс угла наклона возрастает с увеличением показателя рассеяния исследуемой среды.

5. Установлено, что тест-объект, обладающий размерами светлого штриха равным 2 мм и коэффициентом заполнения равным 0,5, является оптимальным по критерию линейного изменения контраста в максимальном диапазоне контроля и минимальной систематической погрешности контроля. При этом величина логарифма начального контраста в изображении должна составлять 0,3 ч- 0,35.

6. На основе экспериментальных данных получена математическая модель зависимости контраста в изображении тест-объекта от показателя ослабления среды. Из математической модели разработана инженерная формула расчета показателя ослабления. Показатель ослабления обратно пропорционален толщине слоя контролируемой среды и прямо пропорционален логарифму отношения измеряемого контраста к начальному.

7. Теоретически установлено, что изменение сигнала, между двух штрихов в изображении тест-объекта линейно зависит от изменения соотношения функции рассеяния к размеру штриха тест-объекта в диапазоне 0,7 - 1,17. Данный вывод хорошо согласуется с результатами экспериментальных данных линейного изменения контраста от показателя ослабления.

8. Разработан метод контроля показателя ослабления суспензии клеток в жидкой питательной среде. Метод и программное обеспечение внедрены в Государственном унитарном научном центре клинической и экспериментальной медицины СО РАМН в г. Новосибирске.

9. Разработан метод контроля показателя ослабления раствора марганца. Метод и программное обеспечение внедрены в лаборатории химического анализа ОАО «Барнаульский геофизический завод».

10. Разработан метод контроля показателя ослабления аэрозоля, применяемого в ингаляторе ультразвукового типа «Муссон». Метод и программное обеспечение внедрены в группе медицинских приборов Алтайского приборостроительного завода «Ротор».

1. Алексеев В. Н. Количественный анализ. М: Химия — 1972.

2. Апенко М. М., Дубовик Л. С. Прикладная оптика. М: Наука, 1982.

3. Бахвалов Н. С. Численные методы М: Наука 1987.

4. Биргер М. О. Справочник по микробиологическим и вирусологическим методам исследования М: Медицина-1982.

5. Борн М, Вольф Э. Основы оптики. М: Наука, 1970.

6. Братко И. Программирование на языке ПРОЛОГ для искусственного интеллекта М: Мир-1990.

7. Бурдун Г. Д. Основы метрологии М: Издательство стандартов-1975.

8. Василенко Г. И. Восстановление изображений М: Радио и связь, 1986.

9. Воробьев А. А. Микробиология М: Медицина-1994.

10. Ю.Воробьев А. А. Микробиология М: Медицина, 1994г.

11. ГОСТ 13088-67 Колориметрия. Термины буквенные обозначения.

12. ГОСТ 15114-78 Системы телескопические для оптических приборов.

13. ГОСТ 1770-74 Посуда мерная лабораторная стеклянная, Цилиндры Мензурки, колбы пробирки. Технические условия.

14. ГОСТ 19908-90 Тигли, чаши, стаканы, колбы, воронки, пробирки и наконечники из прозрачного кварцевого стекла. Общие технические условия.

15. ГОСТ 20903-75 Кюветы прямоугольные кварцевые для спектрофотометров. Основные требования. Технические требования.

16. ГОСТ 21815.0-86 Преобразователи электронно-оптические. Общие требования при измерении энергетических и оптических параметров.

17. ГОСТ 21815.18-90 Преобразователи электронно-оптические. Метод измерения пространственной ЧКХ.

18. ГОСТ 25336-82 Посуда и оборудование лабораторные стеклянные. Типы, основные параметры и размеры.

19. ГОСТ 29024-91 Анализаторы жидкостей турбидиметрические и нефелометрические. Основные требования и методы испытаний.

20. ГОСТ 29044-91 Посуда лабораторная стеклянная. Принципы устройства и конструирование мерной посуды.

21. ГОСТ 29227-91 Посуда лабораторная стеклянная. Пипетки градуировочные. Ч. 1. Общие требования.

22. ГОСТ 29228-91 Посуда лабораторная стеклянная. Пипетки градуировочные. Ч. 2.

23. ГОСТ 29228-91 Посуда лабораторная стеклянная. Пипетки градуировочные. Ч. 3.

24. ГОСТ 7601-78 Физическая оптика. Термины, буквенные обозначения и определения основных величин.

25. ГОСТ 7851-74 Посуда стеклянная химическая лабораторная. Горловина. Внутренний диаметр.

26. ГОСТ 8.332-78 Световые измерения.

27. Грин. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. Л.: Химия, 1972.

28. Грошев А. П. Технический анализ М: ГНТИ ХЛ 1958.

29. Гуревич М. М. Фотометрия. Теория, методы и приборы. Л.: Энергоатомиздат 1983г.

30. Дарахвелидзе П. Delphi 4 СП: БХВ СанктПетербург-1999.

31. Казанцев Г. Д. Измерительное телевидение М: Высшая школа-1994.

32. Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК2. Паспорт.

33. Корн Г. Справочник по математике М: Наука-1978.

34. Королев Ф. А. Курс физики. Оптика. М: Просвещение, 1984.

35. Коростелев П. П. Лабораторные приборы технического анализа. М: Металлургия, 1987.

36. Крешков А. П. Курс аналитической химии. Количественный анализ. М: Химия 1982 .

37. Крешков А. П. Основы аналитической химии. М: Химия -1970.

38. Технические условия ИЛКЮ.941582.003ТУ Ингалятор ультразвукового типа «Муссон-1М», АПЗ «Ротор», 1999г.

39. Кухланг X. Справочник по физике М: Мир-1982.

40. Ляликов Ю. С. Физико-химические методы анализа. М: Химия 1974.

41. Малпас Дж. Реляционный язык ПРОЛОГ и его применение М:Наука-1990.

42. МИ 2002-89 Системы информационно-измерительные. Организация и порядок проведения метрологической аттестации.

43. Мирошников М. М. Теоретические основы оптико-электронных приборов -Л: «Машиностроение» , 1983г.

44. Мудров А. Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: МП Роско, 1991.

45. Новицкий П. В. Оценка погрешностей результатов измерений. Л: Энергоатомиздат.

46. Пименова М. Н. Руководство к практическим занятиям по микробиологии М: МГУ-1995.

47. Пиотровский Я. Теория измерений для инженеров М: Мир 1989.

48. Порфирьев Л. Ф. Основы теории преобразования сигналов оптико-электронных системах М: Машиностроение-1989.

49. Практикум по физико-химическим методам анализа. М: Химия 1987.

50. Пронин С. П. Оценка качества информационно-измерительной оптико-электронной системы. Барнаул: Изд-во АлтГТУ 2001.

51. Рабинович Е. Г. Погрешности измерений Л: Энергия 1978.

52. Ракитин В. И. Практическое руководство по методам вычислений М: Высшая школа-1998.

53. Руководство к практическим занятиям по микробиологии М: Изд-во МГУ, 1995г.

54. Савельев И. В. Курс общей физики ч 2 3 М: Наука-1987.

55. Скворцов Г. Е. Микроскопы Л: Машиностроение-1969.

56. Сокольский М. Н. Допуски и качество оптического изображения М: Машиностроение-1989.

57. Унифицированные методы анализа вод. М: Химия 1971.

58. Упор Э. Фотометрические методы определения следов неорганических соединений. М: Мир, 1985.

59. Физико-химические методы анализа Л: Химия 1988.

60. Хемминг Р. В. Численные методы М: Наука, 1988.

61. Хромов Л. И. Видеоинформатика. Передача и комплексная обработка видеоинформации. М: Радио и связь-1991.

62. Цифровые и оптикоцифровые методы обработки изображений Томск: ТПИ-1985.бЗ.Чуриловский В. Н. Теория оптических приборов М: Машиностроение-1966.

63. Шарко Г. Методы аналитической химии. М: Химия 1969.

64. Шлегель Г. Общая микробиология М: Мир-1987.

65. Электрические измерения М: Высшая школа-1972.

66. Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа М: Мир 1989.

67. Большая Советская энциклопедия 1977.

68. Мудрецова-Висс К. А. Микробиология М: «Экономика», 1978г.

69. Биоинформационные и биоэнергоинформационные технологии» («БЭИТ-2002»).- Барнаул:АлтГТУ, 2002г. Т.5. С. 30-33.

70. Вдовин A.A. Пронин С. П. Анализ средств измерений коэффициента ослабления. // Измерении, контроль, информатизация: Материалы 4-ой международной НТК-Барнаул: АлтГТУ 2003 с. 37-39.

71. Вдовин А. А. Пронин С. П.Зависимость контраста в изображении тест-объекта от оптических свойств среды//Методы и средства измерений физических величин: Материалы девятой всероссийской научно-технической конференции. Нижний Новгород, 2004г. - С. 2.

72. Пронин С. П. Вдовин А. А. Анализ методов и средств контроля показателя ослабления // Измерение, контроль, информатизация: Материалы 5-ой международной научно-технической конференции Барнаул 2004г. - С. 37.

73. Вдовин А. А. Определение роста популяции микроорганизмов с помощью оптико-электронного прибора на ПЗС-фотоприемнике. // Измерение, контроль, информатизация: Материалы 3-ей международной научно-технической конференции. Барнаул, 2002г. - С. 52-55.

74. Бутакова Л.Ю., Госьков П.И., Ки Т.Г., Прокопьев В.В. Влияние каналов космоэнергетики на скорость размножения микробной популяции // биоинформационные и энергоинформационные технологии: Доклады 5-го Международного конгресса. Барнаул 2002г. ТЗ с. 51.

75. Тейлор Введение в теорию ошибок. М: Мир-1985.

76. Чепель Основы математической статистики. Барнаул: Изд-во АГМУ, 2002.

77. Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

78. Инструкция по регулированию, ремонту и выходному контролю. ИЛКЮ.941582.003-02И. Ингалятор ультразвукового типа «Муссон-1М».

79. Леонтьев А. П. Патент №1448452 на изобретение «Способ получения аэрозолей». РОСПАТЕНТ, дата регистрация 23.04.96.