Підвищення вірогідності телевізійних засобів контролю м'ясопродуктів на трихінельоз

Размещено на http://allbest.ru

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

05.11.13 - Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Підвищення вірогідності телевізійних засобів контролю м'ясопродуктів на трихінельоз

Сергєєв Олексій Олександрович

Київ- 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в НДІ прикладної електроніки Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник

Доктор технічних наук, доцент Порєв Володимир Андрійович,

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", професор кафедри виробництва приладів

Офіційні опоненти

Доктор технічних наук, професор Петрук Василь Григорович,

Вінницький національний технічний університет, завідуючий кафедрою хімії та екологічної безпеки, (м. Вінниця)

Кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

Кукоба Анатолій Васильович, Харківський національний університет радіоелектроніки, доцент кафедри біомедичних електронних пристроїв та систем, (м. Харків)

Провідна установа

Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", кафедра приладів та методів неруйнівного контролю, Міністерство освіти і науки України, (м.Харків)

Захист відбудеться 05 грудня 2003 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.102.01 при Київському національному університеті технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ, вул.. Немировича-Данченка,2.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного університету технологій та дизайну.

Автореферат розісланий 03.11. 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент Хімічева Г.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Не викликає сумніву необхідність жорсткого додержання вимог щодо якості продуктів харчування, особливо для тих, які виробляються в фермерському та індивідуальному тваринництві. Оскільки через велику децентралізацію та стихійність цього виробництва практично неможливо проводити поточний контроль якості, єдиним шляхом забезпечення безпеки продуктів тваринництва є контроль їх якості в кінцевій точці реалізації.

Значною мірою це стосується контролю продуктів на наявність трихінельозу. Україна, як і багато країн Східної та Центральної Європи, відноситься до регіонів з підвищеною трихінельозною небезпекою. Трихінельоз - небезпечне для людини захворювання, яке викликають нематоди Trichinellidae. Людина заражується при вживанні м'яса, найчастіше свинини, та виробів з нього, в якому є личинки трихінел. Трихінельоз викликає важкі ускладнення, можливі міокардит, пневмонія, захворювання зору. Велика ймовірність летальних випадків та довічної інвалідності.

Єдиним засобом зупинити розповсюдження трихінельозу є обов'язковий контроль м'яса. На цей час існують три основних метода контролю наявності трихінельозу: імуносорбентний (ELISA-метод), штучне перетравлювання та трихінелоскопія. При цьому офіційно затвердженим методом досі залишається трихінелоскопія. А в умовах розгалуженої мережі збуту з великою кількістю учасників при малих об'ємах, що притаманно роздрібним ринкам в Україні, вона є практично єдиним придатним методом.

При наявності гельмінтів у тварини їх присутність в пробі гарантована. Але технічні засоби контролю з моменту впровадження методу трихінелоскопії майже не розвивались. На сьогодні контроль виконується оператором лише за допомогою оптичного мікроскопу. При проведенні контролю оператору доводиться перенапружувати зір, що з часом викликає не тільки професійні захворювання зору, а і зниження вірогідності контролю, яке призводить до пропуску зараженого м'яса. Спроби вдосконалити цей процес шляхом застосування проекційних трихінелоскопів не дали позитивного результату через недосконалість оптичної системи цих приладів.

Усе вищевказане дозволяє зробити висновок про актуальність постановки та проведення наукових досліджень спрямованих на підвищення вірогідності контролю продуктів тваринництва, зокрема на наявність трихінельозу, з використанням телевізійних засобів контролю.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Дисертаційна робота виконувалась в НДІ прикладної електроніки Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" у відповідності з планами НДР НДІ прикладної електроніки НТУУ "КПІ": 1) Дослідження проблем телевізійної адаптації мікроскопічних зображень (НДР № 2065, номер держреєстрації 0196U003420), 2) Розробка науково-методичного забезпечення та інструментальної бази для оперативної діагностики трихінельозу (НДР № 2839, номер держреєстрації 0195U015334). 3) Розробка та дослідження варіантів автоматизації діагностики гельмінтозних захворювань (НДР № 2842, номер держреєстрації 0197U009667), а також в рамках завдання Міністерства сільського господарства та продовольства України (договір № 2-03-ВТ від 2.01.1995).

Мета роботи - підвищення вірогідності телевізійних засобів контролю м'ясопродуктів на трихінельоз шляхом формування цифрового спектрозонального телевізійного зображення проб та підвищення контрасту зображення.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувались наступні задачі.

1. Дослідження та аналіз методів і технічних засобів, які використовуються для реалізації механізму формування спектрозональних зображень біологічних об'єктів.

2. Розробка математичної моделі визначення вірогідності контролю при застосуванні автоматизованого телевізійного засобу контролю (АТЗК).

3. Дослідження процесу формування спектрозонального зображення біологічних об'єктів з метою визначення факторів, які зменшують вірогідність контролю та визначення шляхів їх усунення або мінімізації їх впливу.

4. Розробка пристрою вводу телевізійного зображення в ПК, який забезпечує формування цифрового спектрозонального зображення з підвищеним контрастом.

5. Створення комплексу програмних засобів, які забезпечують реалізацію методу підвищення вірогідності телевізійних засобів контролю, в т.ч. обробку цифрових зображень локальними операторами Собеля та Гауса.

6. Експериментальне дослідження коефіцієнта передачі модуляції передавальної телевізійної камери (ПТК) у діапазоні роботи засобу контролю та впливу на нього гамма-корекції і автоматичного регулювання чутливості ПТК.

7. Розробка, виготовлення і апробація макету АТЗК.

Об'єкт дослідження. Процес підвищення вірогідності контролю.

Предмет дослідження. Методи та засоби підвищення вірогідності контролю наявності трихінельозу.

Методи дослідження. В ході досліджень використовувались математичний апарат гармонійного аналізу, методи теорій вимірювання, сприйняття зображень, математичної статистики, переносу випромінювання, оптики світлорозсіювання.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Встановлено, що головними чинниками, які знижують вірогідність телевізійних приладів контролю є наступні: поведінка функції передачі модуляції ПТК в інтервалі просторових частот, який відповідає характерним розмірам об'єкту контролю на зображенні; нерівномірність чутливості ПТК на різних ділянках спектральної характеристики; наявність характерної мікроструктури об'єкта, яка обумовлює появу на зображенні шумової складової.

2. Шляхом дослідження коефіцієнтів передачі модуляції ПТК на ПЗЗ в різних спектральних діапазонах та для різних режимів роботи встановлено, що максимальна вірогідність контролю забезпечується в діапазоні 580 - 630 нм.

3. Розроблено математичну модель оцінки вірогідності телевізійних приладів контролю м'ясопродуктів на трихінельоз, що враховує характерні властивості телевізійних зображень проб: контраст зображення; розмір личинок; співвідношення яскравостей об'єкта та фона; співвідношення сигнал\шум зображення; час спостереження.

4. Розроблено метод підвищення вірогідності телевізійних засобів контролю м'ясопродуктів на трихінельоз, який базується на результатах дослідження математичної моделі та коефіцієнтів передачі модуляції ПТК і передбачає обробку локальними операторами цифрових зображень фрагментів проб, сформованих в спектральному діапазоні 580 - 630 нм.

Практична цінність роботи полягає в наступному:

1. Експериментально перевірено теоретичну оцінку вірогідності контролю трихінельозу при використанні АТЗК.

2. Розроблено пристрій вводу телевізійного сигналу до комп'ютера, який забезпечує формування цифрового спектрозонального зображення з підвищеним контрастом.

3. Отримані цифрові зображення трихінел на різних стадіях розвитку, що дозволило розпочати роботу по формуванню бібліотеки цифрових зображень.

4. Розроблений комплекс апаратних та програмних засобів дозволив підвищити вірогідність контролю трихінельозу до значення 0,93.

5. Розроблені засоби підвищення вірогідності контролю - блок оптичних спектральних фільтрів, що забезпечує роботу ПТК на спектральній ділянці 580 - 630 нм та програмне забезпечення для цифрової обробки зображення локальними операторами Собеля і Гауса - можуть бути використані при вирішенні широкого кола завдань пов'язаних з контролем продуктів тваринництва.

6. Макет АТЗК використовується на кафедрі наукових, аналітичних і екологічних приладів та систем Національного технічного університету “Київський політехнічний інститут” при проведенні лабораторних робіт з учбової дисципліни "Телевізійні наукові та технологічні прилади і системи".

Особистий внесок здобувача. Положення, що складають основу дисертаційної роботи, були сформульовані автором особисто. В роботах, виконаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в розробці математичної моделі оцінки вірогідності телевізійних приладів контролю м'ясопродуктів на трихінельоз, розробці апаратних та програмних засобів, участі в створенні методик, постановці та проведенні експериментальних досліджень та апробації, обробці та аналізі результатів.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи були представлені та обговорені на 2-й Міжнародній науково-технічній конференції "Теорія і техніка передачі, приймання та обробки інформації" (Харків-1996), науково-технічній конференції з міжнародною участю "Приладобудування-96" (Вінниця-1996), міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні засоби автоматизації та комп'ютерно-інтегровані технології" (Краматорськ-2003), а також на науково-технічних семінарах НДІ спеціального приладобудування "Спектр" у 1997-1998рр., лабораторії неруйнівних методів контролю НДІ прикладної електроніки НТУУ "КПІ" у 1999-2002рр., наукових семінарах кафедри "Наукові, аналітичні та екологічні прилади та системи" НТУУ "КПІ" у 1996-2002рр. та кафедри метрології, стандартизації і сертифікації Київського Національного Технічного Університету технології та дизайну.

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в шістьох статтях в наукових журналах, в одному збірнику наукових праць, одному патенті України, одних тезах конференцій, одному депонованому рукопису.

Структура та об'єм дисертації. Робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота має 175 сторінок, у тому числі 143 сторінки основного тексту, 51 рисунок, 15 таблиць, список використаних джерел із 91 найменування та додатки на 23 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі виконано аналіз існуючих методів та технічних засобів контролю, особливостей контролю трихінельозу, визначено напрямок подальших досліджень.

Аналіз сучасного стану контролю трихінельозу показав, що на даний момент він в Україні проводиться виключно шляхом післязабійної діагностики, оскільки засоби імуносорбентного аналізу ще недосконалі. В той же час, методика штучного травлення не може бути застосована для контролю трихінельозу через велику тривалість циклу контролю однієї проби. Тому для контролю застосовують переважно метод компресорної трихінелоскопії і на сьогодні лише він є офіційно затвердженим методом контролю трихінельозу.

Однак відомі технічні засоби контролю - світлові мікроскопи та проекційні трихінелоскопи не дозволяють досягнути високої вірогідності контролю. При застосуванні мікроскопів це відбувається через перенапруження зору та стомлення оператора. Проекційні ж трихінелоскопи через недосконалість оптичної схеми не дозволяють виявляти трихінельоз на ранніх його стадіях, що загрожує тяжкими наслідками.

Аналіз особливостей контролю трихінельозу дозволив зробити висновок, що підвищення ефективності контролю можливе за рахунок використання телевізійних засобів контролю.

Проведено огляд та аналіз телевізійних засобів, що застосовуються у неруйнівному контролі: ПТК, пристроїв відображення (моніторів), цифрових блоків, пристроїв вводу телевізійного сигналу (ПВТС) до ПК. Це дозволило обґрунтувати вимоги до характеристик цих засобів, які забезпечують можливість їх використання в складі АТЗК. Встановлено, що для вирішення завдань контролю трихінельозу доцільно використовувати тільки чорно-білі ПТК та спеціально розроблений ПВТС.

Окреслено напрямок подальших досліджень. Показано необхідність уточнення взаємодії об'єкту контролю з оптичним випромінюванням в діапазоні спектрального інтервалу випромінювання де працює АТЗК. Показано, що для підвищення вірогідності виявлення слабоконтрастних об'єктів, якими є трихінели, потрібно дослідити заважаючі фактори, розробити шляхи їх усунення, відповідне апаратне та програмне забезпечення.

У другому розділі розроблена математична модель визначення вірогідності контролю, проаналізовано вірогідність візуального та автоматичного контролю. Досліджено процес формування цифрового спектрозонального зображення, проаналізовано фактори, які впливають на вірогідність контролю.

Критерієм порівняння методів та засобів контролю м'ясопродуктів вибрано вірогідність. За визначенням, вірогідність - це ймовірність прийняття вірного рішення. Разом з ймовірністю помилки вони складають у сумі одиницю, оскільки являють собою повну групу подій. Тому можливі два шляхи визначення вірогідності - через ймовірність прийняття вірного рішення, та через ймовірність помилки.

Показано, що для візуального контролю вірогідність визначається через ймовірність виявлення об'єкту. Були проаналізовані різні шляхи щодо визначення ймовірності виявлення об'єкту на зображенні. Виконаний аналіз моделей розрахунку ймовірності виявлення показав, що загальновживаний підхід через урахування апріорних ймовірностей наявності об'єкту на зображенні не може бути застосований для контролю трихінельозу. Тому була обґрунтовано модель, яка для визначення ймовірності виявлення Р використовує наступні параметри зображення: кутовий розмір об'єкту; контраст зображення K; пороговий контраст Ко; співвідношення яскравостей об'єкта та фона; співвідношення сигнал/шум S; час спостереження t.

Отримано аналітичний вираз для визначення вірогідності контролю:

, (1)

де - інтеграл ймовірності для нормального розподілу

Для аналізу впливу компонент розробленої моделі на кінцеве значення вірогідності були проаналізовані отримані нами експериментально цифрові зображення, які вкупі складають повний набір ситуацій при контролі. Це дозволило визначити параметри зображень для повного набору з чотирьох можливих ситуацій, які наведені в табл. 1 .

Таблиця 1

Параметри цифрових зображень трихінел

№	Об'єкт			S	K
1	Чистий компресорій	5`	1,122	16,66	0,055
2	Гельмінт на чистому фоні	9`	1,334	20,00	0,15
3	Чиста проба	7`	1,396	9,09	0,12
4	Гельмінт на фоні проби	9`	1,641	8,33	0,14

Аналіз залежності вірогідності контролю від параметрів зображення дозволив зробити наступні висновки.

1. Параметри цифрових зображень трихінел наведені в табл.1, знаходяться у діапазоні зміни параметрів моделі, що дозволяє використати формулу (1) для розрахунку вірогідності.

2. Вірогідність контролю перестає зростати при часі спостереження більше двох секунд, що дозволяє обмежити його цим значенням.

3. Співвідношення яскравостей фону та об'єкту для зображень трихінел знаходяться в діапазоні 1,3 - 1,6 та не потребує подальшого збільшення.

4. Співвідношення сигнал/шум має досить велике значення (8-20), але при подальшій обробці зображень потрібно запобігати його зменшення, оскільки зміна співвідношення сигнал/шум в діапазоні 5-15 має вагомий вплив на вірогідність контролю.

5. Найбільший вплив на вірогідність контролю мають кутовий розмір об'єкту та контраст зображення. Але збільшення кутового розміру об'єкту неможливе, оскільки призведе до зменшення поля зору та відповідного збільшення тривалості процедури контролю.

Тому єдиним шляхом підвищення вірогідності візуального контролю є підвищення контрасту зображення при запобіганні зростанню його зашумленності.

Для порівняння вірогідності візуального та автоматичного контролю наявності об'єкту на зображенні було розраховано вірогідність автоматичного виявлення наявності об'єкту. При цьому способі маємо випадок однопараметрового контролю. Тому ймовірність прийняття помилкового рішення визначається як Рпом=+. Вірогідність контролю Р=1-Рпом=1-(+), де - ймовірність прийняття помилкового рішення "чиста проба", а - ймовірність прийняття помилкового рішення "гельмінт", які визначаються, так:

, (2)

, (3)

де АL,H - значення амплітуди сигналу для нижньої та верхньої межі інтервалу амплітуд, А - с.к.в. сигналу, - інтеграл ймовірності для нормального розподілу, значення f(A) беруться з гістограм розподілу яскравості у зображенні.

За допомогою розробленої нами дослідного пристрою було проведено аналіз гістограми розподілу амплітуд сигналу в цифрових зображеннях, 255 одиниць АЦП відповідають амплітуді телевізійного сигналу 1В.

Для ідентифікації виду розподілу були визначені наступні параметри: коефіцієнт ексцесу 1,85; контрексцес 0,725; ентропійний коефіцієнт k = 1,8.

Використання топографічної класифікації форми розподілу дозволило встановити, що з довірчою ймовірністю 0,95 можна вважати розподіл амплітуд сигналу в зображенні рівномірним та обмеженим значеннями Amax - Amin. Тоді (2) та (3) будуть мати наступний вигляд:

,(4)

,(5)

де Amax, Amin - максимальне та мінімальне значення сигналу у зображенні. Використовуючи визначення контрасту як отримаємо наступне рівняння:

,(6)

де S - співвідношення сигнал/шум.

Вірогідність контролю буде визначатися так:

,(7)

Отримані залежності дозволяють зробити наступні висновки.

По-перше, автоматичний контроль в більшій мірі ніж візуальний залежить від співвідношення сигнал/шум в діапазоні контрасту зображень трихінел. По-друге, для отримання значень ймовірності виявлення більших 0,9 при автоматичному контролі необхідно використовувати висококонтрастні зображення, які неможливо отримати у випадку контролю трихінельозу. В той же час, такі ж значення ймовірності для візуального контролю досягаються при значно меншому контрасті.

Таким чином, при однакових параметрах зображення автоматичний контроль амплітуд відеосигналу дає менше значення вірогідності контролю порівняно з візуальним контролем.

Для окреслення факторів, що впливають на значення вірогідності контролю було досліджено формування цифрового зображення в АТЗК. В результаті отримано уточнену формулу синтезу цифрового зображення в і-спектральній зоні з врахуванням спектральних властивостей проби та оптичних фільтрів у вигляді матриці Аі[K,R] розміром (K+1)*(R+1) :

, (8)

де -

зображення, яке є результатом мультиплікативної взаємодії з просторовою граткою дискретизації та наступною дискретною згорткою з апертурною функцією дискретизації; Ептк(x,y) - освітленість чутливого елементу ПТК, р(kx,ry) - інтегральна фоточутливість піксела ПЗЗ; Ко() - коефіцієнт, який характеризує зміну світлового потоку освітлювача; об() - відносна спектральна характеристика прозорості об'єкту; іф() - спектральна характеристика прозорості фільтрів; Кптк() - відносна спектральна чутливість ПЗЗ; Umax - максимальне значення телевізійного сигналу.

Використання для побудови цифрового зображення аналітичного виразу (8) дає змогу підвищити вірогідність контролю за рахунок наступних чинників. По-перше, це використання значення фоточутливості для кожного елементу ПТК замість узагальненої для всієї матриці. По-друге, це врахування зміни світлового потоку освітлювача на різних спектральних інтервалах. Третім чинником є використання відносної спектральної чутливості ПТК для коригування значення чутливості у різних спектральних інтервалах.

Аналіз процесу формування цифрового зображення в АТЗК дозволив виявити головні фактори, які впливають на вірогідність контролю: нерівномірність освітленості; функція передачі модуляції (ФПМ) ПТК; нерівномірність чутливості ПТК; шум ПТК та АЦП; мікроструктура проби.

Перші три фактори є детермінованими для конкретного АТЗК. Причому нерівномірність освітленості та чутливості ПТК може бути визначено та враховано завдяки цифровій корекції зображення. ФПМ є незмінною характеристикою ПТК, яка залежить не лише від конструкції ПТК, а й від спектрального інтервалу та режиму роботи ПТК. Її вплив на вірогідність контролю значний, оскільки обумовлює зниження контрасту зображення на високих просторових частотах, які відповідають просторовому розміру об'єкта. Тому очевидна потреба в дослідженнях для визначення такого спектрального інтервалу та режиму роботи ПТК, де ФПМ буде максимальною.

Останні два фактори є випадковими та потребують статистичних підходів для аналізу їх впливу. Були проведені розрахунки похибки для ПТК Mintron OS-25 та для двох АЦП: 8-бітного K1107ПВ2 та 12-бітного AD9022. Вони дозволили зробити висновок, що за відсутності охолодження ПЗЗ-матриці її співвідношення сигнал/шум не перевищує величини 48Дб. Тому достатнім буде використання 8-бітного АЦП. При цьому значення сумарної шумової похибки за рахунок ПТК та АЦП не перевищує 0,8% амплітуди сигналу.

Були також проведені дослідження флуктуацій сигналу, які викликані мікроструктурою проби, тобто флуктуації в межах однієї проби, що мають дію аналогічну присутності шуму на зображенні. Як видно з рис. 3, їх амплітуда становить 15-20 одиниць АЦП, що на порядок перевищує шумову складову АЦП та ПТК, якщо врахувати, що 255 одиниць АЦП відповідають амплітуді телевізійного сигналу 1В.

Це дозволяє в подальшому ігнорувати при розрахунку зашумленості зображення складову ПТК та АЦП, а враховувати лише складову, викликану мікроструктурою проби. Такі флуктуації обумовлені тим, що зображення обїєкту є не лише масивом точок, а й сукупністю ділянок певного розміру. У межах кожної ділянки амплітуда сигналу може вважатися постійною величиною, пропорційною середньому значенню сигналу Аср на цій ділянці. Але в той же час у межах цих ділянок сигнал у кожній точці може відрізнятися від середнього значення на деяку випадкову величину А.

Було визначено, що найбільший вплив на вірогідність контролю при застосуванні АТЗК має ФПМ ПТК, яка знижує контраст зображення та мікроструктура проби, яка збільшує зашумленість зображення, що обумовило необхідність вивчення залежності ФПМ від спектрального інтервалу та режиму роботи ПТК, а також розробку засобів підвищення контрасту зображення при одночасному зменшенні його зашумленності.

У третьому розділі було розроблено методики та проведено експериментальні дослідження розподілу геометричної нерівномірності чутливості ПТК Mintron OS-25, яка використовується в складі АТЗК, експериментальне дослідження впливу спектрального складу випромінювання та режиму роботи ПТК, розроблено апаратні та програмні засоби підвищення вірогідності контролю.

Для дослідження параметрів та режимів роботи ПТК було розроблено спеціалізований стенд у такому складі: еталонна лампа СИ10-300 з високостабільним керованим (похибка 0,01%) блоком живлення; блок оптичних фільтрів; цифровий блок в складі ПК Intel 486DX4-120, плата вводу аналогового сигналу ET1222, ПВТС AverEZ Capture; прецизійна двохкоординатна платформа мікропереміщень з кроком 2,5 мкм Standa 8SMCC.

Для дослідження ФПМ ПТК в її полі зору розміщувався тест-об'єкт, роль якого виконував набір штрихових мір. Спектральний склад випромінювання регулювався за допомогою набору фільтрів та був обмежений спектральним інтервалом чутливості ПТК (350 - 1100нм). Всього було використано чотири набори: ФС6+СЗС22 (інтервал 350 - 480нм); ЖС12+СЗС22 (інтервал 440 - 600нм); ОС12+СЗС16 (інтервал 550 - 800нм); ИКС6 (інтервал 900 - 1100нм).

Максимальне значення ФПМ досягається при застосуванні набору фільтрів ОС12+СЗС16, що відповідає спектральному інтервалу 550-630нм. Тому для підвищення контрасту зображення, а відповідно і для підвищення вірогідності контролю, треба використовувати АТЗК в цьому спектральному діапазоні.

Були проведені дослідження впливу на контраст зображення автоматичного регулювання підсилення (АРП) та гамма-корекції ПТК. Їх результати дозволили зробити висновок, що для досягнення максимального контрасту зображень при використанні ПТК в складі АТЗК необхідно не використовувати АРП та встановлювати значення гамма-корекції рівне одиниці.

В якості апаратного методу підсилення контрасту використано відеопідсилювання. Воно полягає в аналоговому підсиленні відеосигналу з одночасним регулюванням нульового рівня. Для реалізації цього методу в роботі обґрунтовано вимоги до параметрів спеціалізованого ПВТС та проведені його розробка і апробація.

Застосування лише апаратних методів підвищення контрасту обмежується тим, що разом з контрастом зображення підсилюються і його дефекти, росте зашумленість зображення. Показано, що запобігти цьому можливо лише при одночасному використанні програмних методів, які направлені на підвищення контрасту та зниженню зашумленності зображення. Обґрунтовано доцільність застосування таких методів як усунення дефектів оптичного зображення, компенсація нерівномірності фону, еквалізація гістограми яскравості, метод локальних операторів.

Проведені дослідження показали, що знизити зашумленість зображення дозволяє застосування оператора Гауса 3х3. Для підсилення контрасту слід використовувати оператор Собеля, де нове значення точки зображення є функцією від її оточення: .

Сукупність отриманих в роботі наукових результатів, використання яких дозволило підвищити ефективність компресорної трихінелоскопії при застосуванні телевізійних засобів, визначає метод підвищення вірогідності телевізійних засобів контролю.

Аналіз вірогідності контролю за розробленою моделлю показав, що застосування комплексу апаратних та програмних засобів обробки зображень дозволило підвищити вірогідність контролю до значення 0,93.

Четвертий розділ присвячений дослідженню питань, пов'язаних із створенням АТЗК та обґрунтуванням його параметрів. Розроблено ПВТС та блок спектральних фільтрів, розроблено відповідне програмне забезпечення, створено методики апробації та проведено апробацію експериментального макету АТЗК в Центральній державній лабораторії ветеринарної медицини Міністерства агропромислового комплексу України.

В якості формувача телевізійного зображення використана ПТК Mintron OS-25, яка відповідає умовам її застосування в складі АТЗК. Вона має 542х582 піксела, роздільну здатність 380 телевізійних ліній, порогову освітленість 0,05лк та відношення сигнал/шум 48Дб.

ПВТС забезпечує спряження ПТК з IBM-сумісним ПК з двонаправленим портом принтера. Вхідним сигналом є повний телевізійний сигнал амплітудою 1В. Цифрове зображення одного кадру спочатку вводиться до пам'яті пристрою. Потім воно передається до пам'яті ПК та відображається на моніторі ПК. Пристрій з'єднується з ПК через стандартний двонаправлений (або ECP/EPP) порт принтера.

Особливістю ПВТС є те, що він має можливість регулювати коефіцієнт підсилення та нульовий рівень відеопідсилювача, які встановлюються по команді з ПК, що дозволяє підвищити контраст зображення. Причому можлива передача як всього зображення по жорстко заданому алгоритму, так і передача окремих його фрагментів. Характеристики пристрою наведені в табл. 2.

Таблиця 2

Характеристики пристрою вводу телевізійного сигналу до ПК.

Розрядність АЦП	8 біт
Кількість елементів дискретизації	256*256
Ввід зображення в ПК	Через паралельний двонаправлений порт принтера
Вивід зображення	Запис у відеопа'мять через шину PC з пам'яті ПК
Швидкість вводу зображення В ПК	4 - 6 кадрів/с, 256*256*8 біт (одна спектральна компонента)

Було розроблено комплекс програмних засобів, які забезпечують роботу системи в цілому: програма керування блоком фільтрів, програма вводу телевізійного зображення до ПК, програма формування спектрозонального зображення, програма обробки зображення, програма аналізу зображення.

Для експериментальної перевірки моделі розрахунку вірогідності контролю та розроблених засобів підвищення вірогідності контролю було проведено апробацію макету АТЗК.

Застосування АТЗК разом з розробленими в даній роботі апаратними та програмними засобами дозволило отримати значення вірогідності контролю яке дорівнює 0,93.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена важлива науково-прикладна задача підвищення вірогідності телевізійних засобів контролю м'ясопродуктів на трихінельоз шляхом формування цифрового спектрозонального телевізійного зображення проб та підвищення контрасту зображення.

1. Досліджено характер взаємодії об'єкта контролю з оптичним випромінюванням у межах діапазону спектральної чутливості ПТК та проведено аналіз механізму виявлення личинок трихінел на зображенні, що дозволило обґрунтувати можливість підвищення вірогідності контролю.

2. Для оцінки якості контролю трихінельозу розроблена математична модель визначення достовірності контролю трихінельозу, яка використовує наступні параметри телевізійного зображення: контраст зображення; кутовий розмір об'єкта; співвідношення яскравостей об'єкта і фона; зашумленість зображення; час спостереження.

Показано, що в реальних умовах контролю трихінельозу найбільший вплив на значення вірогідності мають контраст і зашумленість зображення.

3. Дослідження процесу формування цифрового спектрозонального зображення дозволило встановити залежність вірогідності контролю від наступних факторів: нерівномірність освітленості проби; ФПМ ПТК; нерівномірність чутливості ПТК; похибки дискретизації відеосигналу; мікроструктура проби.

Показано, що найбільший вплив на вірогідність контролю мають нерівномірність освітленості, ФПМ ПТК і мікроструктура проби.

4. Порівняльний аналіз візуального і автоматичного контролю, заснованого на аналізі амплітуд відеосигналу показав, що через більшу залежність машинного контролю від контрасту і зашумленості зображення його вірогідність значно менша, ніж при візуальному контролі.

5. Розроблено метод підвищення вірогідності телевізійних засобів контролю м'ясопродуктів на трихінельоз, який базується на результатах дослідження математичної моделі та коефіцієнтів передачі модуляції ПТК і передбачає обробку локальними операторами цифрових зображення фрагментів проб, сформованих в спектральному діапазоні 580 - 630 нм.

6. Розроблено автоматизований стенд для експериментального дослідження характеристик ПТК, з допомогою якого були отримані наступні результати: розподіл нерівномірності чутливості для ПТК Mintron OS-25, Фотон ПК-01; ФПМ та відносна чутливість ПТК Mintron OS-25 для різних спектральних інтервалів і режимів роботи.

7. Експериментально визначена оптимальна для контролю трихінельозу комбінація фільтрів - ФС6 разом із СЗС22, що дозволило збільшити значення коефіцієнта передачі ПТК OS-25 на 10% у порівнянні з роботою на інших спектральних інтервалах та підвищити вірогідність контролю.

8. Завдяки реалізації комплексу створених вперше апаратних і програмних засобів вірогідність контролю трихінельозу збільшилася до 0,93. Проведена апробація експериментального макета АТЗК трихінельозу і методики оцінки достовірності контролю підтвердила теоретичну оцінку вірогідності контролю трихінельозу з використанням АТЗК.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сергєєв О.О., Бойко І.В., Приміський В.Ф. Дослідження функції передачі модуляції телевізійної вимірювальної системи на основі ПЗЗ-матриці // Методи та прилади контролю якості. - 2003. - №10. - С. 61-65.

2. Сергеев А.А. Современные аппаратные и программные средства АСУ ТП // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2003. - №2. - С. 20-23.

3. Семененко С.В., Сергеев А.А. Дисплеи серии I-SFT: основные характеристики, особенности подключения // Современные технологии автоматизации. - 2003. - №1. - С. 80-84.

4. Сергєєв О.О. Оцінка вірогідності при телевізійному контролі стану біологічних об'єктів // Методи та прилади контролю якості. - 2000. - №5. - С. 84-86.

5. Сергеев А.А. Плата для ввода изображений в ЭВМ типа IBM для телевизионной микроскопии // Приборы и техника эксперимента. - 1997. - №6. - С. 139.

6. Порєв В.А., Сергєєв О.О. Компенсація впливу нерівномірності товщини проби на результат підрахунку мікроколоній автоматизованими лічильниками // Харчова та переробна промисловість. - 1995. - №1. - С. 22.

7. Патент 12393А Україна, МКИ G01N 33/12. Аналізатор якості м'яса / Порєв В.А., Оксамитний М.К., Комаров Г.П., Перелигіна Л.С., Сергєєв А.А., Тютюн А.І. (Україна); НТУУ "КПІ"-№94117440; заявл. 01.11.94; опубл. 02.12.96.

8. Порєв В.А., Сергєєв А.А., Сокуренко В.М., Сокуренко О.М. Дослідження розрізнювальної здатності телевізійного мікроскопа на базі передавальної телевізійної камери ПК-01// Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут". - Київ, 1997. - 6 с. - Рос. - Деп. в УкрІНТЕІ 05.02.97, №116-Уі97// Анот. в ж. Експрес-новини: наука, техніка, виробництво, №8, 1997.

9. Порев В.А., Сергеев А.А. Телевизионная система диагностики состояния биологических объектов с раздельным анализом цветовых компонент изображения // Тезисы докладов 2-й Международной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Харьков-Туапсе. - 1996. - С. 219.

10. Порев В.А., Сергеев А.А. Система для анализа биологических объектов с последовательным формированием цветного изображения // Труды научно-технической конференции с международным участием “Приборостроение-96”. - Винница-Судак. - 1996. - С. 109.

АНОТАЦІЯ

Сергєєв Олексій Олександрович. Підвищення вірогідності телевізійних засобів контролю м'ясопродуктів на трихінельоз. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин. - Київський національний університет технологій та дизайну, 2003.

Дисертація присвячена вирішенню питання підвищення вірогідності телевізійних засобів контролю м'ясопродуктів на трихінельоз.

У роботі розроблена модель визначення достовірності контролю трихінельозу, що використовує наступні параметри телевізійного зображення: контраст зображення; розмір об'єкта; співвідношення яскравостей об'єкта і фона; співвідношення сигнал/шум зображення; час спостереження.

Дослідження процесу формування цифрового спектрозонального зображення дозволило визначити, що найбільший вплив на вірогідність контролю мають нерівномірність освітленості, функція передачі модуляції передавальної телевізійної камери і мікроструктура об'єкта.

Експериментально була визначена оптимальна комбінація оптичних спектральних фільтрів, що дозволило збільшити значення коефіцієнта передачі передавальної телевізійної камери у порівнянні з роботою на інших спектральних інтервалах.

Проведені дослідження дозволили розробити метод підвищення вірогідності телевізійних засобів контролю м'ясопродуктів на трихінельоз, який передбачає обробку локальними операторами цифрових зображення фрагментів проб, сформованих в спектральному діапазоні 580 - 630 нм.

Ключові слова: підвищення вірогідності контролю, телевізійні засоби контролю, трихінельоз.

АННОТАЦИЯ

Сергеев Алексей Александрович. Повышения достоверности телевизионных средств контроля мясопродуктов на трихинеллез. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - Методы и средства контроля и определения состава веществ. Киевский национальный университет технологий и дизайна, Киев, 2003.

Диссертация посвящена решению проблемы повышения достоверности телевизионных средств контроля мясопродуктов на трихинеллез путем формирования цифрового спектрозонального телевизионного изображения контролируемых проб и повышения его контраста. Для оценки качества проводимого контроля трихинеллеза была разработана модель определения достоверности контроля трихинеллеза, использующая следующие параметры телевизионного изображения: контраст изображения; размер объекта; соотношение яркостей объекта и фона; зашумленности изображения; время наблюдения. Анализ модели показал, что в реальных условиях контроля трихинеллеза наибольшее влияние на величину достоверности оказывают контраст и соотношение сигнал/шум изображения.

Исследование процесса формирования цифрового спектрозонального изображения позволило определить следующие факторы, влияющие на достоверность контроля: неравномерность освещенности передающей телевизионной камеры; функция передачи модуляции передающей телевизионной камеры; неравномерность чувствительности передающей телевизионной камеры; погрешности дискретизации видеосигнала; микроструктура объекта.

Анализ этих факторов показал, что наибольшее влияние на достоверность контроля оказывают неравномерность освещенности, функция передачи модуляции передающей телевизионной камеры и микроструктура объекта.

Разработан экспериментальный автоматизированный стенд для экспериментального исследования характеристик передающей телевизионной камеры. С его помощью была получена функция передачи модуляции передающей телевизионной камеры Mintron OS-25 для различных спектральных интервалов и режимов работы передающей телевизионной камеры.

В ходе исследования функция передачи модуляции передающей телевизионной камеры также было установлено, что для достижения максимального контраста телевизионного изображения необходимо отключение автоматической регулировки усиления передающей телевизионной камеры и установка значения гаммма-коррекции равного единице.

Экспериментально была определена оптимальная комбинация фильтров устанавливающая диапазон работы передающей телевизионной камеры 580 - 630 нм, что позволило увеличить значение коэффициента передачи модуляции передающей телевизионной камеры не менее чем на 10% по сравнению с работой на других спектральных интервалах.

Разработан метод повышения достоверности телевизионных средств контроля, использующий обработку локальными операторами цифровых изображений фрагментов проб, сформированных в спектральном диапазоне 580 - 630 нм.

Благодаря реализации комплекса созданных впервые аппаратных и программных средств значение достоверности контроля трихинеллеза повышено до 0,93. Выполненная апробация экспериментального макета автоматизированного телевизионного средства контроля трихинеллеза и методики оценки достоверности контроля подтвердила теоретическую оценку достоверности контроля трихинеллеза с использованием автоматизированного телевизионного средства контроля.

Ключевые слова: повышение достоверности контроля, телевизионные средства контроля, трихинеллез.

SUMMARY

Sergeev Oleksiy O. Increase of validity of the television control devices on trichinellosis in meat. -Manuscript.

The thesis for obtaining the scientific degree of Candidate of Technical Science on the specialty 05.11.13 - devices and methods of control and determination composition of substances. - Kiev National University of Technologies and Design, Kiev, 2003.

The dissertation is devoted to the decision of a problem of increasing of validity of television control devices of meat products on trichinellosis.

The model of definition of validity of control on trichinellosis, using the following parameters of the television image was developed: contrast of the image; the size of object; a ratio of brightness of object and a background; signal/noise ratio; observation period.

The analysis of model and research of process of formation of the digital images have allowed to determine, that the greatest influence on validity have the following factors: non-uniformity of light exposure; modulation transfer function of television camera; non-uniformity of sensitivity of television camera; errors of digitization of video signal; a distinctive microstructure of object.

The optimum combination of filters establishing a spectral range of television camera at 580 - 630 nm experimentally was determined, what has allowed to increase the value of modulation transfer function in comparison with work on other spectral intervals. телевізійний контроль м'ясопродукт трихінельоз

The method of increasing of validity of television control devices, which is using the processing by local operators of digital images that are generated in a spectral range 580 - 630 nm is developed.

Key words: increasing of validity of control, television control device, trichinellosis.

Размещено на Allbest.ru

...