Удосконалення методів тривимірної візуалізації для визначення морфологічних ознак фазових мікрооб'єктів

Abstract

У роботі запропоновано використання методів фізичного та математичного тривимірного моделювання фазових мікрооб’єктів, зокрема еритроцитів крові, з метою визначення їх морфологічних змін. Докладно розглянуто методи цифрової обробки сигналів на основі подвійного перетворення Фур’є, з накладанням смугового фільтру, метод відновлення тривимірної форми об’єктів за двовимірними знімками та метод спектрального аналізу при обробці отриманих відеоданих. Для експериментального дослідження запропонованих методів була розроблена принципова оптична схема пристрою відображення цифрового зображення мікрооб’єктів з покращеними експлуатаційними характеристиками. На основі габаритного й абераційного розрахунків були обрані оптимальні за оптичними показниками елементи і зібрано експериментальний стенд. Були отримані інтерференційні цифрові знімки еритроцитів крові людини в нормі та змінених під дією осмотичного тиску, знімки клітин периферичної крові на просвітлення трьома видами когерентного випромінювання. Для реалізації тривимірного моделювання розроблено програму на мові Python із використанням бібліотек Numpy и Open CV та програма, що дозволяє будувати і візуалізувати тривимірні моделі по двовимірним знімкам, яка працює під управлінням ОС Windows, написана на мові С++. Для виведення 3D моделей використовується бібліотека Direct X і графічний прискорювач. Запропонований метод візуалізації тривимірних моделей по двовимірним знімкам дає можливість змінювати масштаби поверхні і використаний тип проекції, працювати у реальному масштабі часу в інтерактивному режимі. Використання методу спектрального аналізу з обробкою зображень еритроцитів на просвітлення, отриманих у трьох частотних діапазонах когерентного світла, після подальшої кореляції отриманих результатів дозволив значно підвищити точність визначення його морфологічних параметрів. Загалом, запропоновані вдосконалені методи дозволяють використовувати їх для визначення стану плазматичних мембран еритроцитів крові з метою оцінки можливих патологій, що підвищить ефективність методів лабораторної діагностики.The use of methods of physical and mathematical three-dimensional modelling of phase microobjects, in particular blood erythrocytes, was proposed in order to determine morphological changes. The method of digital signal processing based on double Fourier transform, with the imposition of a band pass filter, the method of restoring the three-dimensional shape of objects from two-dimensional images and the method ofspectral analysis were considered in detail improved performance. On the basis of dimensional and aberration calculations, the optimal elements in terms of optical parameters were selected and an experimental stand was assembled. Interference digital images of normal human erythrocytes and altered under the action of osmotic pressure, images of peripheral blood cells for illumination by three types ofcoherent radiation were obtained. To implement three-dimensional modelling developed a program in Python using Numpy and Open CV libraries and a program that allows to build and visualize three-dimensional models of two-dimensional images, running Windows, written inC ++. A DirectX library and a graphics accelerator are used to display 3D models. The method of visualization of three-dimensional models on two-dimensional images makes it possible to change the scale of the surface and the type ofprojection used, to work in real time in interactive mode.The method of spectral analysis with processing of images of erythrocytes for enlightenment obtained in three frequency bands of coherent light, after further correlation ofthe obtained results will significantly improve the accuracy of determining its morphological parameters. The proposed improved methods allow using them to determine the state of the plasma membranes of erythrocytes in order to assess possible pathologies, which will increase the effectiveness of laboratory diagnostic methods.