Автор: А.И. Лопатин, А.В. Мельников
Источник: Лопатин, А.И. Цветовое контрастирование изображений с использованием модицикаций спектра / А.И. Лопатин, А.В. Мельников. – Санкт-Петербугр: Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2007. – с.272–275.
А.И. Лопатин, А.В. Мельников Цветовое контрастирование изображений с использованием модификаций спектра. Рассмотрен метод цветового контрастирования изображений, записанных с помощью видеомикроскопа-спектрофотометра и модифицированных в целях визуализации спектров. Предлагаемый метод цветового контрастирования основан на возможности увеличения эффективной толщины препаратов микрообъектов методами компьютерной обработки спектров пропускания вещества.
Исследуемые в микроскопии препараты во многих случаях имеют малую толщину, и следовательно, малые коэффициенты поглощения. Получаемые изображения при визуализации спектров, записанных с помощью видемикроскопа-спектрофотометра [1], часто имеют недостаточный контраст для детального исследования микрообъектов, поэтому требуется цветовое контрастирование изображений. Методы цветового контрастирования обычно выполняются над изображениями, записанными в формате RGB. В случае если изображение получено в результате приведения спектра к цветовой системе RGB, появляется возможность повышения контраста при использовании предварительной обработки спектров перед приведением их к системе RGB. В настоящей статье рассмотрен эффективный метод модификации спектра для повышения цветового контраста изображений.
Если в измеренном спектре имеются слабовыраженные особенности, то, как упоминалось выше, это приводит к малому контрасту изображения после приведения спектра к цветовой системе RGB. Увеличить контраст можно двумя способами: либо увеличить толщину объекта и тем самым увеличить коэффициент поглощения, что приведет к усилению особенностей в измеряемом спектре, либо выполнить компьютерную обработку полученных экспериментальных данных.
пропусканием устанавливает закон Бугера-Ламберта-Бэра
где a – коэффициент поглощения, z – оптическая длина пути.
Из (1) следует, что увеличению в n раз оптической длины пути (увеличению в n раз эффективной толщины исследуемого образца) соответствует операция возведения в степень коэффициента пропускания. Таким образом, если необходимо увеличить эффективную толщину исследуемого микрообъекта, то достаточно возвести его спектр пропускания в степень, в результате чего после приведения спектра к системе RGB получим изображение микрообъекта с увеличенным цветовым контрастом.
Результат возведения спектра в степень проиллюстрирован на рис. 1. Кривой 1 соответствует исходный спектр, который имеет близкое к равномерному распределение коэффициента пропускания по длинам волн, кривые 2 и 3 представляют этот же спектр, но возведенный в 8-ю и 16-ю степень соответственно.
Если две точки на микрообъекте имеют в спектре пропускания слабо выраженные различия, то после визуализации эти отличия на цвет практически не повлияют, и изображение будет казаться монотонно серым, без цветового контраста. После возведения спектра в степень даже самые незначительные особенности спектра станут явно выраженными, и тогда эти две точки окрасятся в различные цвета, и, таким образом, повышается цветовой контраст полученного изображения.
Рис.1. Пример преобразования спектра при возведении в степень
Экспериментальные результаты были получены при измерении спектра пропускания неокрашенного препарата печени. На рис. 2 представлен пример визуализации спектра пропускания препарата с цветовым контрастированием и без него.
Рис.2. Результат визуализации спектра пропускания препарата печени без цветового контрастирования (а) и с цветовым контрастированием при возведении спектра в 4-ю степень (б) и 8-ю степень (в)
Из сравнения рис. 2, а-в, видно, что возведение спектра в степень позволяет визуализировать детали изображения, мало различимые в исходном изображении.
Следует отметить, что цветовое контрастирование позволяет не только «окрасить» особенности спектра, когда появляется возможность судить о различном составе разных участков микрообъекта, но также обеспечивает более детальный морфологический анализ микрообъектов, так как границы неоднородных участков становятся более резкими.
Цветовое контрастирование полезно также в ситуациях, когда нет возможности выполнить окраску микрообъекта или она нежелательна для изучения микрообъекта. Метод может применяться в комбинации с визуализацией спектров, записанных в инфракрасной области, не только для качественного анализа состава микрообъектов, но и для количественного анализа.
Согласно наиболее распространенной методике определения количественного состава веществ препаратов, вначале их окрашивают, и количество вещества определяют исходя из того, что чем больше искомого вещества, тем больше препарат окрашивается, поскольку большее количество окрашивающего вещества прореагировало с исследуемым веществом. Применяя цветовое контрастирование, можно избежать дополнительной операции окрашивания, поскольку метод контрастирования по сути выполняет ту же роль, что и окрашивание.
Если все точки микрообъекта имеют одинаковые особенности в спектре пропускания, то в этом случае цветовое контрастирование обеспечивает повышение контраста без усиления цветовых отличий изображения, полученного в результате визуализации (см. рис. 3).
Рис. 3. Результат визуализации спектра пропускания препарата печени в видимой области без цветового контрастирования (а) и с цветовым контрастированием при возведении спектра в 4-ю степень (б)
На рисунке изображен неокрашенный препарат печени, спектр пропускания которого записан в видимой области. На рис. 3, а, полученном без возведения спектра в степень, преобладает монотонная серая окраска. Изображение рис. 3, б, сформированное при возведении спектра в 4-ю степень, более четко отображает детали структуры микрообъекта.
Исследования показали, что метод цветового контрастирования эффективен при исследовании различных препаратов. Метод особенно полезен при работе с неокрашенными микрообъектами, когда отсутствует возможность или не разработана методика окрашивания, чтобы выделить особенности микроструктуры. Помимо этого, преимущество метода заключается в том, что он позволяет увеличивать эффективную толщину препарата методами компьютерной обработки данных и проводить исследования очень тонких и почти прозрачных микрообъектов. При этом не происходит потерь информации об истинном цвете микрообъекта, что составляет заметное преимущество по сравнению с существующими методами контрастирования, которые в большинстве случаев изменяют информацию о цвете микрообъекта.
1. Белашенков, Н.Р. Микроскоп-спектрофотометр с матричным фотоприемником / Н.Р. Белашенков, И.П. Гуров, А.И. Лопатин, А.В. Мельников. – c. 260–266.
2. Ивенс, Р.М. Введение в теорию цвета / Р. М. Ивенс. – M.: 1964.
3. Кривошеев, М.И. Цветовые измерения / М.И. Кривошеев, А.К. Кустарев. – М.: 1990.