ДАЦЮК ЮРІЙ

Система мікрофотографування з використанням цифрової камери

 

На сьогоднішній день існують різноманітні системи підключення фотографічних камер до мікроскопа, в яких використовуються дзеркальні фотокамери та відеокамери. Широке розповсюдження цифрових технологій, цифрової фотографії зокрема, приводить до появи якісно нових методів отримання та обробки як статичного зображення так і відеозапису в цифровому форматі. Аналогові фотокамери, які використовуються в різноманітних приладах, замінюються цифровими камерами. 
 Представлена система відноситься до систем мікрофотографування з використанням оптичного мікроскопа та цифрової камери. Відомі схеми підключення передбачають використання адаптера, який прикріплюється до тубуса окуляра мікроскопа, або монтується в роз’єм верхньої частини мікроскопа. Недоліком таких систем є те, що для кожної цифрової камери необхідно представляти власну оптичну систему лінз адаптера і враховувати необхідність виправлення хроматичних та геометричних аберацій зображення. В відомих нам способах не представлено можливості керування камерою дистанційно, тобто без посереднього торкання камери щоб запобігти тремтіння останньої.

 

Представлена система мікрофотографування виникла як потреба в створенні адаптера, який б зміг забезпечити простий спосіб приєднання цифрової камери з незнімним об’єктивом до мікроскопа та отримати якісне зображення в цифровому форматі та реальному часі на телевізійному моніторі. Використовуючи як основний спосіб збільшення зображення – оптичні методи, як додатковий можна використати функцію цифрового збільшення зображення, вбудовану в функції цифрової камери. 
Цифрові камери відрізняються від плівкових камер тим, що перші в більшості мають незнімний об’єктив, що створює додаткові труднощі для конструювання адаптера між мікроскопом та камерою. 
 На рис. схематично зображено схему системи мікрофотографування, яка складається з оптичного мікроскопа 8, в стандартний роз’єм 2 якого кріпиться оптичний адаптер 1. Згори до адаптера приєднується цифрова камера 5. 
 Загальна величина лінійного збільшення зображення залежить від кратності збільшення об’єктива мікроскопа 3, висоти трубки 1 адаптера, фокусної віддалі об’єктива оптичного адптера, фокусної віддалі об’єктива камери 5. Слід також взяти до уваги можливість включення цифрового збільшення зображення, можливість якого надає цифрова камера.
Більшість цифрових камер мають гнізда для виводу відео сигналу з камери і передачі його на телевізійний монітор 7, а також гніздо для приєднання USB-кабелю для швидкого перепису знімків з пам’яті цифрового носія камери в пам’ять комп’ютера 6. Таким чином, збільшене зображення препарату 4, в реальному часі можна спостерігати на моніторі 7, наводити чіткість зображення по моніторові, змінювати оптичне та цифрове збільшення камери, та проводити фотографування з високою роздільною здатністю даної камери.
Використання дистанційного пульта 15 управління камерою запобігає торкання камери руками оператора та розширює можливість дії оператора без потреби безпосередньо проводити маніпуляції кнопками на камері.

Фотографічний спосіб визначення деформацій

При вимірюванні величини деформації твердого тіла використовують різноманітні засоби та методи: механічні тензометри, провідникові та напівпровідникові тензометри, оптичні методи (застосовний до прозорих моделей), метод муарових стрічок, рентгенівський метод, метод лакових покриттів. Більшість з наведених методів є контактними, тобто потребують  нанесення датчиків або контакт приладів з досліджуваним тілом. При вимірюванні деформації складних об’єктів (великого масштабу, або при незначних деформаціях) наведені вище методи мають суттєвий недолік – неможливість здійснення контактного способу вимірювання. Крім того, суттєвим недоліком цих методів є необхідність використання складних приладів та високий рівень підготовки і проведення експерименту.
Фотографічний метод викликає інтерес і є перспективним в першу чергу як безконтактний спосіб визначення деформації тіл. Суть методу полягає у вимірюванні відстаней до і після деформації між точковими мітками, які наносять на досліджуване тіло. В даному методі фотографування міток здійснюється на віддалі, тому відпадає необхідність в безпосередньому контакті приладів з тілом, а також суттєвим позитивним методом є вимірювання деформацій віддалених або складних за формою тіл. При вимірюванні відносної деформації при допомозі даного методу відпадає необхідність процедури градуювання, що спрощує і прискорює експериментальну частину. Схема експериментальної частини визначення деформацій фотографічним способом.
На об’єкт дослідження наносять точкові мітки, розмір яких вибирається з умови, що діаметр зображення точкової мітки рівний розміру пікселя на цифровій фотографії (наприклад, при довжині тіла 1 м і горизонтальному розмірі CCD матриці 1600 пікселів діаметр точкової мітки складатиме d=1000/1600=0,6 мм). На певній відстані від об’єкта дослідження, при якій досліджуваний об’єкт повністю попадає в поле кадру, проводять серії фотографувань недеформованого та деформованого стану тіла.

Метод підвищеної точності встановлення положення центра зображення точкової мітки
З наведених прикладів зображень точкових міток видно, що карти пікселів відрізняються між собою в силу різниці положення самих зображень точкових міток. Для з’ясування зв’язку між картою пікселів та положенням зображення мітки скористаємося припущенням, що під час фотографування зображення мітки є однорідною по площі темною плямою діаметром 2 пікселя, а зображення навколо плями є світлим і однорідним. Будемо вважати, що яскравість пікселів залежить від співвідношення кількості темної і світлої частини зображень, які попали на піксель: чим темніший піксель, тим більше його покривала темна частина зображення мітки. В якості критерію освітленості пікселів виберемо частину площі зображення мітки, яке попадає на піксель Si, де i=1…9. Освітленість пікселів описуватимемо величинами Bi, де i=1…9. Критерій точності положення центра темної плями шукатимемо з умови наявності максимуму коефіцієнта кореляції між яскравістю пікселів та попаданням частин темних площ зображення мітки на пікселі
Експериментальне дослідження деформованого стану дерев’яної балки.

 

Для перевірки та апробації описаної вище методики визначення деформації пружних тіл проведено експеримент з пружного деформування дерев’яної балки. На рис.представлено наклад фотографій недеформованої та деформованої при двох значеннях навантаження балки. Дерев’яна балка з правого кінця жорстко закріплена, а з лівого кінця її навантажують гирями різної маси.