Metody wyszukiwania włókien Omówione zostaną dwie wybrane metody wyszukiwania na obrazie rozmieszczonych losowo kształtów okrągłych.

Podobne dokumenty
i ruchów użytkownika komputera za i pozycjonujący oczy cyberagenta internetowego na oczach i akcjach użytkownika Promotor: dr Adrian Horzyk

Parametryzacja obrazu na potrzeby algorytmów decyzyjnych

Metody kodowania wybranych cech biometrycznych na przykładzie wzoru naczyń krwionośnych dłoni i przedramienia. Mgr inż.

Reprezentacja i analiza obszarów

BIBLIOTEKA PROGRAMU R - BIOPS. Narzędzia Informatyczne w Badaniach Naukowych Katarzyna Bernat

Algorytmy decyzyjne będące alternatywą dla sieci neuronowych

Ćwiczenie nr 8 - Modyfikacje części, tworzenie brył złożonych

AUTOMATYCZNE ROZPOZNAWANIE PUNKTÓW KONTROLNYCH GŁOWY SŁUŻĄCYCH DO 3D MODELOWANIA JEJ ANATOMII I DYNAMIKI

Podstawy programowanie systemów wizyjnych InSight firmy Cognex. Środowisku InSight Explorer / Spreadshee

Proste pomiary na pojedynczym zdjęciu lotniczym

Automatyczne tworzenie trójwymiarowego planu pomieszczenia z zastosowaniem metod stereowizyjnych

Przetwarzanie obrazów rastrowych macierzą konwolucji

WYZNACZANIE PRACY WYJŚCIA ELEKTRONÓW Z LAMPY KATODOWEJ

PaleZbrojenie 5.0. Instrukcja użytkowania

Laboratorium. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Ćwiczenie 9. Przetwarzanie sygnałów wizyjnych. Politechnika Świętokrzyska.

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

WYKONANIE APLIKACJI WERYFIKUJĄCEJ PIONOWOŚĆ OBIEKTÓW WYSMUKŁYCH Z WYKORZYSTANIEM JĘZYKA C++ 1. Wstęp

LABORATORIUM Z FIZYKI

Rysowanie precyzyjne. Polecenie:

W tym celu korzystam z programu do grafiki wektorowej Inkscape 0.46.

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wykrywanie twarzy na zdjęciach przy pomocy kaskad

WYMAGANIA NA OCENĘ 12. Równania kwadratowe Uczeń demonstruje opanowanie umiejętności ogólnych rozwiązując zadania, w których:

Rozpoznawanie obrazów na przykładzie rozpoznawania twarzy

Oprogramowanie FormControl

Katalog wymagań programowych na poszczególne stopnie szkolne. Matematyka. Poznać, zrozumieć

Graficzne opracowanie wyników pomiarów 1

SCENARIUSZ LEKCJI. TEMAT LEKCJI: Zastosowanie średnich w statystyce i matematyce. Podstawowe pojęcia statystyczne. Streszczenie.

INFORMATYKA POZIOM ROZSZERZONY

Implementacja filtru Canny ego

WYBÓR PUNKTÓW POMIAROWYCH

Analiza skupień. Analiza Skupień W sztucznej inteligencji istotną rolę ogrywają algorytmy grupowania

Wyznaczanie modułu Younga metodą strzałki ugięcia

Ćwiczenie 3. I. Wymiarowanie

Przekształcenia punktowe

WYKORZYSTANIE MODELI SIECI NEURONOWYCH DO IDENTYFIKACJI SKŁADU LITOLOGICZNEGO RUDY MIEDZI**

Jacek Jarnicki Politechnika Wrocławska

WYZNACZANIE NIEPEWNOŚCI POMIARU METODAMI SYMULACYJNYMI

Metoda określania pozycji wodnicy statków na podstawie pomiarów odległości statku od głowic laserowych

WYKŁAD 12. Analiza obrazu Wyznaczanie parametrów ruchu obiektów

Samochodowy system detekcji i rozpoznawania znaków drogowych. Sensory w budowie maszyn i pojazdów Maciej Śmigielski

KATEDRA MECHANIKI I PODSTAW KONSTRUKCJI MASZYN. Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z elementów analizy obrazów

Akademia Górniczo - Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Projekt. z przedmiotu Analiza i Przetwarzanie Obrazów

Akademia Górniczo-Hutnicza

Katalog wymagań na poszczególne stopnie szkolne klasa 3

Π 1 O Π 3 Π Rzutowanie prostokątne Wiadomości wstępne

Elementy analizy obrazu. W04

CECHOWANIE TERMOELEMENTU Fe-Mo I WYZNACZANIE PUNKTU INWERSJI

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Aerotriangulacja. 1. Aerotriangulacja z niezależnych wiązek. 2. Aerotriangulacja z niezależnych modeli

SINGLE-IMAGE HIGH-RESOLUTION SATELLITE DATA FOR 3D INFORMATIONEXTRACTION

Przetwarzanie obrazów wykład 7. Adam Wojciechowski

Manipulator OOO z systemem wizyjnym

Wskaźnik szybkości płynięcia termoplastów

-> Średnia arytmetyczna (5) (4) ->Kwartyl dolny, mediana, kwartyl górny, moda - analogicznie jak

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI dla uczniów klasy trzeciej gimnazjum na podstawie programu MATEMATYKA 2001

Statystyka opisowa. Wykład I. Elementy statystyki opisowej

Reprezentacja i analiza obszarów

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI DLA KLASY TRZECIEJ NA ROK SZKOLNY 2011/2012 DO PROGRAMU MATEMATYKA Z PLUSEM

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Wymagania edukacyjne z matematyki w klasie III gimnazjum

Praktyczne aspekty stosowania metody punktów funkcyjnych COSMIC. Jarosław Świerczek

Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki

(metale i ich stopy), oparta głównie na badaniach mikroskopowych.

Ć W I C Z E N I E N R J-1

Modelowanie krawędziowe detalu typu wałek w szkicowniku EdgeCAM 2009R1

EGZAMIN W KLASIE TRZECIEJ GIMNAZJUM W ROKU SZKOLNYM 2017/2018 CZĘŚĆ 2. ZASADY OCENIANIA ROZWIĄZAŃ ZADAŃ

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY. Optoelektroniczne pomiary aksjograficzne stawu skroniowo-żuchwowego człowieka

Analiza obrazu. wykład 3. Marek Jan Kasprowicz Uniwersytet Rolniczy 2009

Cyfrowe przetwarzanie obrazów i sygnałów Wykład 7 AiR III

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Temat ćwiczenia: Zasady stereoskopowego widzenia.

Pomiar siły parcie na powierzchnie płaską

Teraz bajty. Informatyka dla szkoły podstawowej. Klasa VI

1. WIADOMOŚCI WPROWADZAJĄCE DO PROJ. I GR. INŻ.

Modelowanie jako sposób opisu rzeczywistości. Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechnika Łódzka

Przygotowanie materiału uczącego dla OCR w oparciu o aplikację Wycinanki.

Roboty pomiarowe (odtworzenie punktów trasy) M

Spośród licznych filtrów nieliniowych najlepszymi właściwościami odznacza się filtr medianowy prosty i skuteczny.

Wstęp do teorii niepewności pomiaru. Danuta J. Michczyńska Adam Michczyński

DOKŁADNOŚĆ POMIARU DŁUGOŚCI

Politechnika Białostocka

Część I. Uwaga: Akceptowane są wszystkie odpowiedzi merytorycznie poprawne i spełniające warunki zadania. Zadanie 1.1. (0 3)

Politechnika Świętokrzyska. Laboratorium. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Ćwiczenie 8. Filtracja uśredniająca i statystyczna.

CIĘCIE POJEDYNCZE MARMUR

02. WYZNACZANIE WARTOŚCI PRZYSPIESZENIA W RUCHU JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONYM ORAZ PRZYSPIESZENIA ZIEMSKIEGO Z WYKORZYSTANIEM RÓWNI POCHYŁEJ

Grafika Komputerowa Wykład 2. Przetwarzanie obrazów. mgr inż. Michał Chwesiuk 1/38

KGGiBM GRAFIKA INŻYNIERSKA Rok III, sem. VI, sem IV SN WILiŚ Rok akademicki 2011/2012

Cele kształcenia wymagania ogólne (przedruk z podstawy programowej) Ramowy plan nauczania zakres podstawowy. Podręcznik 3 (3 godziny 25 tygodni)

Okręgi i proste na płaszczyźnie

WPŁYW METODY DOPASOWANIA NA WYNIKI POMIARÓW PIÓRA ŁOPATKI INFLUENCE OF BEST-FIT METHOD ON RESULTS OF COORDINATE MEASUREMENTS OF TURBINE BLADE

PODSTAWY METALOGRAFII ILOŚCIOWEJ I KOMPUTEROWEJ ANALIZY OBRAZU

Maszyny technologiczne. dr inż. Michał Dolata

WYKRESY SPORZĄDZANE W UKŁADZIE WSPÓŁRZĘDNYCH:

LABORATORIUM: ROZDZIELANIE UKŁADÓW HETEROGENICZNYCH ĆWICZENIE 1 - PRZESIEWANIE

Wstęp Pierwsze kroki Pierwszy rysunek Podstawowe obiekty Współrzędne punktów Oglądanie rysunku...

Dodatek 4. Zadanie 1: Liczenie plam słonecznych w różnych dniach. Po uruchomieniu programu SalsaJ otworzy się nam okno widoczne na rysunku 4.1.

SZCZEGÓŁOWE SPECYFIKACJE TECHNICZNE D ODTWORZENIE TRASY I PUNKTÓW WYSOKOŚCIOWYCH

Wprowadzenie do rysowania w 3D. Praca w środowisku 3D

Transkrypt:

PM-101/06 Automatyzacja komputerowej analizy obrazów mikrostruktur PIOTR WOLSZCZAK Komputerowa analiza obrazu stosowana w ocenie ilościowej i jakościowej budowy mikrostrukturalnej kompozytów polega na wydobyciu z obrazu cech (atrybutów) nisko i wysoko-poziomowych. Przykładami cech niskiego poziomu jest kolor, intensywność oraz jasność. Przy ich użyciu, stosując proste przekształcenie, jakim jest progowanie, można z dużą dokładnością określić np. udział fazy zbrojącej. Do cech wyższego poziomu zaliczane są miedzy innymi wymiary geometryczne obiektów znajdujących się na obrazie (odległości, średnice, kąty). Pomiary cech obydwu typów umożliwiają charakteryzowanie budowy mikrostrukturalnej kompozytów. Materiał badawczy Materiałem badawczym jest zbiór zdjęć mikroskopowych przedstawiających przekroje próbek kompozytów zbudowanych ze szklanych włókien ciągłych (tzw. rowing) oraz żywicy epoksydowej. Za pomocą narzędzi informatycznych do analizy obrazu wykonywane są pomiary lokalizacji i średnic włókien. Na podstawie tych informacji możliwe jest modelowanie struktury oraz obliczenie wielu miar charakteryzujących budowę takiego kompozytu na podstawie przekroju poprzecznego [1]. System oceny wizyjnej Na potrzeby wykonywania pomiarów geometrycznych budowy mikrostrukturalnej kompozytów, w Katedrze Automatyzacji Politechniki Lubelskiej zbudowany został modułowy system komputerowego wspomagania mikroskopowych pomiarów wizyjnych. W jego skład wchodzi m.in. zestaw oprogramowania do projektowania i realizacji algorytmów przetwarzania obrazu i wykonywania pomiarów geometrycznych. Częścią oprogramowania są biblioteki funkcji IMAQ Vision dla LabWindows CVI firmy National Instruments [2]. Metody wyszukiwania włókien Omówione zostaną dwie wybrane metody wyszukiwania na obrazie rozmieszczonych losowo kształtów okrągłych. Progowanie (binaryzacja) Powszechnie stosowaną metodą przygotowania obrazu do wyszukiwania obiektów o określonym kształcie i rozmiarze jest progowanie (binaryzacja). Polega ona na doborze wartości progowej w zakresie zmienności wybranej cechy niskiego poziomu, która używana jest do binaryzacji obrazu. Binaryzacja polega na redukcji zakresu zmienności cechy do dwu wartości, zazwyczaj 0 i 1 [3]. Podstawową wadą progowania jest konieczność uzyskania równomiernie oświetlonego obrazu mikrostruktury. Efekt rozświetlenia części centralnej i skutek w postaci zagubienia podczas binaryzacji informacji zawartych blisko granicy obrazu widoczne są na rys. 1. Rys. 1. Przebieg procesu progowania: obraz surowy, dobór wartości progu widok histogramu oraz obraz binarny Kolejnym krokiem po wykonaniu progowania jest analiza uzyskanych plam, podczas której algorytm próbuje dopasować w obszar pojedynczej plamy kształt okręgu. Na rys. 2 przedstawiono rezultaty binaryzacji oraz dopasowania okręgów. Zaznaczyć należy, że w przykładzie pominięto użycie sekwencji operacji morfologicznych prowadzących do odseparowania od siebie obiektów, ponieważ przy zagęszczeniu prezentowanym na obrazie jest ono mało efektywne. 1

Rys. 2. Obraz binarny z zaznaczonymi okręgami Uzyskany w ten sposób nadmiarowy zbiór okręgów, należy poddać filtracji. Przykład filtracji omówiony zostanie w dalszej części artykułu.. Wyszukiwanie okrągłych krawędzi w odcieniach szarości Kolejną metodą jest szukanie okrągłych krawędzi przekrojów włókien na obrazie w odcieniach szarości. Odbywa się to w następujących krokach: 1. wybór punktu jako przewidywanego środka okręgu, 2. wyznaczenie promienistych odcinków obejmujących zakres dopuszczalnej zmienności średnic włókien, 3. przygotowanie tablic liczbowych o długości odpowiadającej długości odcinków, w których umieszczane są wartości wybranej cechy niskiego poziomu (np. wartość odcienia szarości), 4. wyszukiwanie na poszczególnych odcinkach krawędzi włókien, które definiowane są jako określona minimalna zmiana wartości cechy niskiego poziomu (koloru) (rys. 3), 5. przygotowanie zbioru współrzędnych punktów oznaczających znalezione krawędzie, 6. dopasowanie metodą najmniejszych kwadratów okręgu do znalezionych punktów (rys. 4). Rys. 3. Przykładowy profil odcinka (wartości koloru na obszarze obrazu wyznaczonym za pomocą odcinka). Oś pionowa przedstawia wartości cechy kolor w odcieniach szarości. Oś pozioma kolejny numer piksela. Powyżej wykresu wyświetlone są statystyki długości całego odcinka oraz trzech jego części. Na rys. 3 przedstawiono wykres wartości cechy (kolor) odcinka wyznaczanego w kroku nr 2. Na osi poziomej umieszczone są numery pikseli, które przecina wyznaczony promieniście odcinek. Zwany jest on profilem liniowym. Punktami zaznaczono znalezioną krawędź oraz średnie wartości kolorów w porównywanych obszarach. Prostokątne kształty przedstawiają wartości parametrów użytych w operacji wyszukiwania krawędzi. Wymiar pionowy prostokąta oznacza próg różnicy wartości kolorów w obu obszarach. Wymiary poziome oznaczają długości uśrednianych obszarów. Rys. 4. Przykładowy rezultat wyszukiwania włókien w odcieniach szarości (widoczne wyraźne przesunięcie środka obszaru wyszukiwania w stosunku do znalezionego środka okręgu); kierunek wyszukiwania krawędzi na zewnątrz obszaru. 2

Poprawność położenia okręgu względem przekroju włókna ocenić można m.in. na podstawie: - liczby znalezionych krawędzi w stosunku do liczby wyznaczonych odcinków, - krągłości błędu dopasowania znalezionych punktów do wyznaczonego okręgu, Podstawową zaletą tej metody jest analizowanie względnej różnicy wartości (kontrastu) cechy niskiego poziomu (np. koloru), niezależnie od lokalnego rozjaśnienia lub przyciemnienia obrazu. Wadą jest natomiast konieczność wskazania jako środka obszaru poszukiwań punktu w bliskim obszarze rzeczywistego środka przekroju włókna. Dokładność dla tej czynności nie musi być zbyt duża, ale istotnie utrudnia to zastosowanie metody przy analizie struktury o losowym rozmieszczeniu włókien zbrojących. Rozwiązaniem tego problemu może być wyszukanie nadmiernej liczby okręgów, przewyższającej rzeczywistą liczbę włókien widocznych na obrazie, a następnie odfiltrowanie dublujących się okręgów. Polega ono na systematycznym skanowaniu całego obszaru obrazu z określonym krokiem (np. 20 pikseli), przewidując położenie środków włókien w każdym z kolejnych kroków. Otrzymany w ten sposób zbiór zawiera powtórzenia dopasowanych okręgów dla poszczególnych włókien. Kolejnym krokiem jest zatem grupowanie punktów w skupiska punktów odległych od siebie nie dalej niż o połowę minimalnego promienia, a następnie uśrednienie ich pozycji i końcowe wyszukiwanie włókna w tak zdefiniowanym obszarze. Algorytm automatyzujący wyszukiwanie włókien Opisany algorytm jest jednym ze sposobów automatycznego wyszukiwania obiektów rozmieszczonych losowo. Na rys. 5 pokazano w sposób uogólniony kolejne etapy. Rys. 5. Etapy procesu automatycznego pomiaru wielkości charakterystycznych obiektów rozmieszczonych losowo na obrazie. Narzędzia doboru parametrów / uczenia systemu Każda seria zdjęć wymaga zazwyczaj indywidualnego podejścia i inwencji w opracowywaniu algorytmu przetwarzania obrazu, i dlatego konieczne wydaje się stosowanie dodatkowych algorytmów doboru optymalnych parametrów dla wymienionych etapów przetwarzania i rozpoznawania obrazów. Działanie takich narzędzi polega na odwróceniu czynności wykonywanych w pojedynczym etapie rozpoznawania i obliczeniu wartości cech obrazu, które podczas rozpoznawania używane będą jako parametry. Przykładem może być dobór różnicy średniej wartości koloru, która oznaczać ma krawędź włókna. W tym celu zaznaczyć należy obszar obejmujący krawędź (rys. 6). Obszar zaznaczenia jest następnie przez program dzielony na trzy części: włókno, krawędź, osnowa. Z wartości obszarów skrajnych obliczane są wartości średnie, a ich różnica uwzględniania jest podczas obliczenia nowej wartości tego parametru. Nowa wartość parametru obliczana jest jako średnia ważona wartości bieżącej oraz obliczonej różnicy. Podobnie dobierane są pozostałe parametry. 3

Rys. 6. Dobór parametrów wykrywania krawędzi przez zaznaczanie a) odcinka lub c) okręgu oraz wykresy profili liniowych b) odcinka oraz d) odcinków ułożonych promieniście. Przykładowe wyniki Na rys. 7 przedstawiono wynik wyszukiwania przekrojów włókien na przykładowym obrazie cechującym się nierównomiernym oświetleniem obszaru. Widoczne są zaznaczenia okręgów w obszarach jaśniejszych (obszar centralny obrazu) i przyciemnionych (obszar przy krawędzi górnej obrazu). W obszarze silnie zaciemnionym (lewy górny róg obrazu), który cechuje słaby kontrast, włókna nie zostały znalezione. Widoczne są również pojedyncze błędy dopasowania okręgów do granic włókien, których przyczyną jest eliptyczny kształt lub falistość krawędzi zniekształcające przekroje włókien. Rys. 7 Przykładowy rezultat działania automatycznego algorytmu rozpoznawania i pomiarów obiektów o okrągłym kształcie rozmieszczonych losowo w obszarze obrazu a) obraz surowy, b) obraz w odcieniach szarości z nałożonymi wynikami wyszukiwania. Podsumowanie Złożoność problemów występujących podczas rozpoznawania cech zawartych w obrazie wynikających, np. z losowości położenia włókien, powoduje wydłużenie czasu przetwarzania pojedynczego obrazu. Automatyzacja pomiarów wizyjnych w istotny sposób usprawnia prowadzenie oceny budowy mikrostrukturalnej kompozytów. Mgr inż. Piotr Wolszczak jest pracownikiem Katedry Automatyzacji Politechniki Lubelskiej LITERATURA 1. Rożniatowski K.: Metody charakteryzowania niejednorodności struktury materiałów wielofazowych. V Jesienna Szkoła Stereologii i Analizy Obrazu. Materiały konferencyjne. Polskie Towarzystwo Stereologiczne, http://ptst.polsl.katowice.pl 2. National Instruments: IMAQ Visio for LabWindows/CVI, 1997. 3. Wojnar L., Majorek M.: Komputerowa analiza obrazu. Fotobit Design, Kraków 1994. 4. Krywult B.: Wybrane problemy technologiczne i badawcze z zakresu przetwórstwa tworzyw wzmocnionych włóknem. Konferencja Postęp w przetwórstwie materiałów polimerowych. Wydawnictwo Politechniki Opolskiej, Częstochowa 2002. 5. Ryś J.: Metalografia ilościowa. Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Kraków 1983. 6. Chrapoński J.: Metody nowoczesnej stereologii w medycynie i nauce o materiałach. V Jesienna Szkoła Stereologii i Analizy Obrazu. Materiały konferencyjne, Polskie Towarzystwo Stereologiczne, http://ptst.polsl.katowice.pl Podpisy 4

Rys. 8. Przebieg procesu progowania: obraz surowy, dobór wartości progu widok histogramu oraz obraz binarny Rys. 9. Obraz binarny z zaznaczonymi okręgami Rys. 10. Przykładowy profil odcinka (wartości koloru na obszarze obrazu wyznaczonym za pomocą odcinka): oś pionowa przedstawia wartości cechy kolor w odcieniach szarości, oś pozioma kolejny numer piksela, powyżej wykresu wyświetlone są statystyki długości całego odcinka oraz trzech jego części. Rys. 11. Przykładowy rezultat wyszukiwania włókien w odcieniach szarości (widoczne wyraźne przesunięcie środka obszaru wyszukiwania w stosunku do znalezionego środka okręgu); kierunek wyszukiwania krawędzi: na zewnątrz obszaru Rys. 12. Etapy procesu automatycznego pomiaru wielkości charakterystycznych obiektów rozmieszczonych losowo na obrazie Rys. 13. Dobór parametrów wykrywania krawędzi przez zaznaczanie a) odcinka lub c) okręgu oraz wykresy profili liniowych b) odcinka oraz d) odcinków ułożonych promieniście Rys. 14 Przykładowy rezultat działania automatycznego algorytmu rozpoznawania i pomiarów obiektów o okrągłym kształcie rozmieszczonych losowo w obszarze obrazu a) obraz surowy, b) obraz w odcieniach szarości z nałożonymi wynikami wyszukiwania 5