WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

Соколов В.Н., Лебедев А.А., Юрковец Д.И., Риман Д.В. Мельник В.Н. Метод трехмерной реконструкции микрорельефа поверхности твердых тел по их РЭМ – стереоизображениям // Изв. АН. Сер. физ.. Т.59 N 2, 1995г.– С. 28 – 35.

Трубина Л.К. Цифровая фотограмметрическая обработка снимков для получения геопространственных данных при оценке состояния экосистем // автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Новосибирск, 2002,35 с.

подготовка исследование сбор первичной образцы препарат б. м. БО препарата препарата информации (РЭМ) Файл SEM M,D, углы получение цифровой файлы BMP наклона РЭМ-стереопары РЭМ-стереопары БД снимков файлы BMP определение входных файлы формата ВMP параметров Cn для Обработка фотогр. обработки РЭМ-стереопары снимков стереопара BMP с краевой fвыч разметкой Этап внутреннего ориентирования проект fкор файл опорных БД проектов данных geod.pnt Этап взаимного проект углы перерасчет наклона ориентирования фокусного расстояния fкор Этап внешнего ориентирования Получение цифровой Фотограмметрическая матрицы рельефа микрообъекта обработка снимков координатный файл ACSII Анализ 3-D модели Создание макетов координатный файл ACSII образцов с помощью координатный файл программы 3-D информация о форме, рельефе поверхности ACSII и пространственных параметрах моделирования биологического микрообъекта Файл Создание атласов 3-D модели определителей БО lwo Решение прикладных задач БД исследователя информация о форме, рельефе поверхности координатный файл и пространственных параметрах ACSII биологического микрообъекта пользователи Рис. 1. Модель информационных процессов системы фотограмметрического моделирования микрообъектов.

по созданию и анализу цифровой трехмерной модели микрообъекта был разделен на два этапа. Первый этап заключался в проектировании основных блоков моделирования цифровой 3-D модели микрообъекта: подготовка препарата;

исследование препарата в РЭМ; получение снимков высокого разрешения;

определение входных параметров для фотограмметрической обработки снимков;

фотограмметрическая обработка стереопар и получение 3-D модели микрообъекта.

Второй этап связан с визуализаций 3-D модели микрообъекта и ее анализом.

2) Модель должна обеспечивать неразрушающую реконструкцию микрообъектов, поскольку биологические образцы очень чувствительны к тактильной обработке.

Фотограмметрические методы, положенные в основу построения модели микрообъекта, обеспечивают неразрушающую реконструкцию биологического образца. В данной работе для сохранения тканевой структуры микрообъекта, максимально соответствующей исходному состоянию, промежуток времени, затрачиваемый на получение цифровой трехмерной модели, был минимальным.

Образцы биологического материала фиксировались с помощью стандартных методик.

3) Информационная система должна быть ориентирована на пользователя, не имеющего навыков работы в области информационных технологий. Современные цифровые фотограмметрические системы (ЦФС) позволяют моделировать практически все процессы, выполняемые в классической фотограмметрии. Это значительно расширило сферы их применения во многих областях: археологии, строительстве, биологии, медицине, и дало возможность пространственно отображать окружающую среду достаточно близко к реальности. Системы стали обладать понятным и удобным интерфейсом, позволяющим работать с ним людям без специального образования.

На этапе проектирования информационной системы был проведен анализ наиболее известных ЦФС и принято решение использовать систему Z-Space 1.2, в которой реализованы основные стадии получения цифровой матрицы рельефа земной поверхности, и данная система оказалась наиболее приемлемой по соотношению цена–качество. Поскольку параметры 3-D модели, формируемой по РЭМ-стереопаре, существенно отличаются от реализованных в Z-Space 1.2, потребовались решить ряд методических и теоретических задач обеспечивающих адаптацию фотограмметрических методов классической аэрофотосъемки к созданию цифровой 3D модели микрообъекта по стереопаре, полученной на РЭМ.

4) Информация о трехмерной модели микрообъекта должна храниться в удобном формате данных, поддерживаемом большинством программных систем обработки и моделирования 3-D объектов. В данной работе информация о 3-D модели исследуемого микрообъекта хранится в виде стандартного текстового файла.

5) Коллекции цифровых 3-D моделей микрообъектов должны храниться в базе данных исследователя, с возможностью их восстановления, визуализации и анализа; при необходимости должна осуществляться оперативная передача информации об объекте или его трехмерной форме другим пользователям. Хранение информационных ресурсов осуществляется с помощью базы данных РЭМ-снимков микрообъектов, базы данных проектов фотограмметрического восстановления 3 - D цифровых матриц рельефа микрообъектов и базы данных исследователей, ведущих работу с биологическим материалом.

Базовым условием для построения цифровой модели микрообъекта стало определение корректных входных данных – стереопары высокого разрешения, получить которую возможно только с помощью РЭМ. Это достигалось правильным выбором режима работы микроскопа, сохраняющим тождественность масштаба и уровня контрастности на стереопаре, а также получением изображения без какой-либо предварительной обработки сигнала. В идеальном случае центральная ось и ось наклона пересекались в точке поверхности образца, так называемом eucentric tilt5. В представленной работе захват изображений осуществлялся в трех позициях: 1) исходная позиция (при 0°) перпендикулярно плоскости образца с определением входных параметров (увеличение – М, рабочее расстояние - D), сохранение изображения; 2) сканирование для получения левого изображения стереопары: наклон образца с помощью гониометрического устройства на угол лев, сохранение полученного изображения; 3) сканирование для получения правого изображения стереопары: наклон образца на угол прав, сохранение полученного изображения. Как правило, в работе практиковалось получение симметричного изображения (разница 2х).

В начале работы фотографирование образцов осуществлялось на широкоформатную пленку T-Max с помощью фотоаппарата класса “Зенит”, встроенного в электронный микроскоп. Затем, совместно с сотрудниками Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (г. Новосибирск), разработаны и внедрены технические и программные средства, преобразующие выходной сигнал с РЭМ в цифровое изображение, поступающее непосредственно на компьютер. Прямое соединение значительно облегчило работу по восстановлению рельефа объекта по стереопаре, помогая оператору выбрать зону перекрытия для ее формирования.

Для проверки возможности воспроизведения стереоэффекта использовался анаглифический метод, заключающийся в воспроизведении стереоизображений, окрашенных в дополнительные цвета. При проведении исследований каждая стереопара была проверена этим методом и, с помощью возникающего в специальных очках стереоэффекта, оценивалась результативность дальнейшей работы со стереопарой.

В работе были унифицированы методы определения входных параметров для фотограмметрической обработки РЭМ-стереопары. В обобщенном виде функциональная зависимость между исходными параметрами стереопары и получаемыми по ней пространственными координатами объекта при фотограмметрическом восстановлении модели выглядит следующим образом:

F(Cn,, AГ, хn, уn, Х,У,Z) = 0 (1) где n – индекс, принимающий значение 1 или 2, что соответствует левому и правому изображениям стереопары, Сn – координаты и углы ориентации съемочной (фотокамеры) системы; АГ – опорные данные; xn, yn – координаты соответствующих точек левого и правого изображений; X,Y,Z – пространственные координаты определяемых точек объекта. Пространственные координаты вычисляются как функции измеренных величин, при этом возможно использование различных математических зависимостей, реализованных в виде конкретных алгоритмов теми или иными программными средствами6.

К параметрам, характеризующим геометрию съемочной системы Сn, относятся:

увеличение – M, при котором производилась съемка, рабочее расстояние D – расстояние между объектом и плоскостью изображения; углы ориентации съемочной системы при получении левого и правого изображений стереопары (лев, прав); f – фокусное расстояние (или «псевдофокусное», поскольку речь идет о РЭМ, а не о фотоаппарате). Для расчета корректного фокусного расстояния был реализован метод, заключающийся в самокалибровке модели по результатам взаимного ориентирования, Bethela E. W., Bastackyb S. J., Schwartza K. S. Interactive Stereo Electron Microscopy Enhanced with Virtual Reality // LBNL–48336, 2001.–P. 252–261.

Трубина Л.К. Стереомодели в изучении биологических объектов, монография – Новосибирск: СГГА, 2006. – 136 с.

выполняемого с помощью системы Z-Space 1.2 (lite-версия). Приближенное значение вычислялось по формуле7:

fвыч = MxD (2) где М – масштаб, D - рабочее расстояние съемки.

Расчет фокусного расстояния производился для каждой обрабатываемой РЭМстереопары. Для примера в таблице 1 приводится расчет фокусного расстояния для РЭМ - изображениий образца чешуи, полученного при углах наклоналев= -5:00, прав=5:00, M = 104х, D = 10мм. Приближенное значение fвыч = 1040 мм; корректное фокусное расстояние для дальнейших расчетов определено как fкор = 980 мм.

Таблица 1. Сходимость вычислительного процесса при построении модели на этапе взаимного ориентирования в зависимости от фокусного расстояния.

Состояние модели этап взаимного Получаемые углы ориентации f ориентирования Z-Space 1.2.

прав лев вычислительный процесс расходящийся 850 2:57 -2:900 4 -4:950 4:20 -5:980 5:04 -5:1000 5:10 -5:1040 5:17 - 5:1100 5:28 -5:1500 вычислительный процесс расходящийся В работе был также проведен эксперимент, уточняющий вид проекции модели при работе с РЭМ (увеличение до 500х). Он заключался в создании серии снимков тестовых сеток (угол наклона от 5° до 35°) при различных увеличениях. В результате определена тенденция к сходимости на РЭМ-изображениях проекций параллельных между собой прямых в некоторой точке, так называемой точке схода, подтверждающая правомерность использования центрального проецирования при малых увеличениях. Проведенное исследование с тестовыми сетками показало возможность использования классических формул расчета пространственных координат местности, реализованных в современных цифровых фотограмметрических системах.

Предложен новый метод определения опорных данных АГ для внешнего ориентирования модели, формируемой по стереопаре, полученной на РЭМ. В отличие от классической фотограмметрии, где координаты опорных точек определяются в ходе наземных измерительных работ, на РЭМ - изображении высота микрообъекта неизвестна и, как правило, не может быть точно измерена. Для решения этой задачи был разработан метод заключающийся в нивелировании высоты столика, на котором располагается микрообъект, по отношению к высоте исследуемого образца. При расчетах принимается, что высота столика - zстолика, есть некоторая константа.

Последующие эксперименты показали пригодность данного метода для выполнения внешнего ориентирования модели РЭМ-стереопар. В работе проведена реконструкция нескольких тестовых образцов на разных увеличениях и сравнение высот точек полученной 3-D модели, и высот этих же точек тестовых образцов, измеренных Мельник В.Н. Фотограмметрическая обработка снимков, полученных на растровом электронном микроскопе // автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Москва, 1981, 28 с.

методами оптической микроскопии. В качестве тестовых образцов использовались кристаллики сахара, а при реконструкции байкальских остракод применялись частицы карборунда, приближенные по размерам к исследуемому образцу. Относительная ошибка калибровки по высоте находилась в пределах 1 - 5%. Реконструкция данных образцов на разных увеличениях позволила построить корректную фотограмметрическую модель.

Для верификации модели по x-, y – направлениям были применены специальные столики с нанесенными сетками (nickel grid, copper grid for transmission microscope, 125m, d=3,05 mm, hole 95 m, open area size 55%). Перекрестия тестовых сеток промерялись на инвертированном микроскопе проходящего света Axiovert 200, а также на трансмиссионном микроскопе LEO 906E (Transmission Electron Microscope LEO 906E). Создано несколько векторных диаграмм геометрических искажений РЭМ Philips SEM 505M. В целом надо отметить, что эти искажения имели скорее случайный характер и не оказали существенного влияния на точность построения модели. Для получения высококачественных результатов проверка микроскопа должна выполняться непосредственно перед работой с микрообъектом. Важно, чтобы неизменными сохранялись все операционные параметры РЭМ: рабочее расстояние, увеличение, напряжение тока.

В работе были выполнены вычислительные и технологические эксперименты для выбора оптимальных параметров съемки на РЭМ и обеспечения опорными данными для дальнейшей обработки стереопары. Создана модель информационной системы фотограмметрического моделирования микрообъекта, удовлетворяющая всем перечисленным в первой главе требованиям.

В третьей главе представлена программная реализация полуавтоматического восстановления цифровой модели рельефа микрообъекта в виде комплекса прикладных программ. В качестве базового модуля была использована ЦФС Z-Space 1.2 (lite-версия), дополненная специально разработанными модулями, обеспечивающими фотограмметрическую обработку стереопар, получаемых на РЭМ, и пространственный анализ 3-D модели микрообъекта. Для использования Z-Space 1.с целью получения моделей микрообъектов, совместно с разработчиками программной системы были внесены изменения, реализованные в новой версии ZSpace 1.2 (lite-версия). Устанавливаемые параметры для моделирования стали определяться в микронах. Для учета специфики применения ЦФС при обработке стереопар, полученных на РЭМ, информационная система на базе Z-Space 1.2 (liteверсия) была дополнена двумя специально разработанными программными модулями системы «PA-3DM/Входные данные» и «PA-3DM/ Работа с 3D моделью» (рис. 2). Для разработки модуля работы с трехмерной моделью объекта использовались основные возможности графической библиотеки Open GL.

Модуль РА-3DM / Входные данные решает задачу определения корректных входных параметров РЭМ-стереопар: производится впечатывание краевых меток;

Pages:     ||
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.