Измерения на единичном кадре.

Получение фотографий и анализ данных являются в некотором смысле искусством. Результаты автоматизированного анализа изображений должны учитывать ошибки измерений. Существует несколько причин появления систематических и случайных ошибок при использовании автоматизированного микроскопа. Для примера рассмотрим измерение ориентации волокон в композите.

Предположим, что волокна имеют форму идеального цилиндра, как показано на рис. 3. Форма эллипса позволяет оценить диаметр волокна d_i и углы ориентации j_i и q_i в сферических координатах. Диаметр d_i равен меньшей оси эллипса b_i, угол j_i определяется ориентацией главной оси эллипса (a_i) в плоскости XY, а угол ориентации оси волокна относительно плоскости сечения q_i даётся следующим уравнением:

q_i = arcos(b/a). (1)

Прежде чем проводить измерения на единичном кадре, нужно выполнить несколько предварительных операций.

Во-первых, нужно настроить осветительную систему. Условием получения хорошего качества изображения является равномерное освещение образца. В основном степень равномерности освещения определяется юстировкой конденсора и источника света, высотой неровностей и качеством ориентации образца относительно оптической оси микроскопа. Если уровень освещённости непостоянен, выбор постоянного порога интенсивности (определяющего пиксели изображения, принадлежащие сечению волокна) приводит к систематической ошибке определения ориентации волокна. Замена образца плоским зеркалом показывает, насколько равномерно освещение.

Во-вторых, нужно рассмотреть шум цифровых данных и проанализировать, как он может повлиять на величину измерений. Шум можно уменьшить, получив несколько изображений одной области и усреднив сигнал. Рассмотрим влияние шума интенсивности пикселей на определение степени эллиптичности волокна. Неопределённость в определении пикселей, принадлежащих сечению волокна, приводит к систематической ошибке определения q_i. Как показано на рис. 4, квадратными пикселями нельзя идеально воспроизвести сечение круглого волокна. При большем увеличении микроскопа изображение сечения волокна будет состоять из большего количества пикселей и, следовательно, будет получено лучшее приближение круга. Однако при большом увеличении для изучения крупной области требуется большее количество кадров и снижается скорость работы.

В-третьих, нужно проверить, не искажает ли монитор размеры поля зрения. Пиксели цифровой камеры должны иметь идеальную квадратную форму. Отметим, что пиксели некоторых камер имеют прямоугольную форму, соответствующую форме монитора. В этом случае экран показывает фактическое поле зрения прямоугольной формы. При получении количественных данных нужно учитывать, что расстояние между пикселями в вертикальном направлении может отличаться от расстояния в горизонтальном направлении. Это отношение может быть найдено с помощью идеальной квадратной сетки.

В-четвёртых, нужно учитывать предположения, заложенные при разработке программы. Практически все автоматизированные программы анализа изображений предполагают, что волокна являются идеальными цилиндрами. Если это условие не выполнено, значения степени эллиптичности волокна будут зависеть от его исходной эллиптичности. Примером волокон с некруглым поперечным сечением является углепластик, показанный на рис. 5. Одни волокна на этой фотографии имеют почти круглую форму, а другие – бобовидную форму. Попытка описать эллипсом такие волокна приведёт к большой ошибке их ориентации.