RU2756375C1 - Method for processing images of speckle structures from scattered laser radiation on ferrofluid nanoparticles oriented in a magnetic field - Google Patents
Method for processing images of speckle structures from scattered laser radiation on ferrofluid nanoparticles oriented in a magnetic field Download PDFInfo
- Publication number
- RU2756375C1 RU2756375C1 RU2020139425A RU2020139425A RU2756375C1 RU 2756375 C1 RU2756375 C1 RU 2756375C1 RU 2020139425 A RU2020139425 A RU 2020139425A RU 2020139425 A RU2020139425 A RU 2020139425A RU 2756375 C1 RU2756375 C1 RU 2756375C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic field
- ferrofluid
- laser radiation
- images
- channels
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 53
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 35
- 239000011554 ferrofluid Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000012545 processing Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 title claims abstract description 17
- 230000008447 perception Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 238000001454 recorded image Methods 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N iron(II,III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- WRIDQFICGBMAFQ-UHFFFAOYSA-N (E)-8-Octadecenoic acid Natural products CCCCCCCCCC=CCCCCCCC(O)=O WRIDQFICGBMAFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LQJBNNIYVWPHFW-UHFFFAOYSA-N 20:1omega9c fatty acid Natural products CCCCCCCCCCC=CCCCCCCCC(O)=O LQJBNNIYVWPHFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QSBYPNXLFMSGKH-UHFFFAOYSA-N 9-Heptadecensaeure Natural products CCCCCCCC=CCCCCCCCC(O)=O QSBYPNXLFMSGKH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZQPPMHVWECSIRJ-UHFFFAOYSA-N Oleic acid Natural products CCCCCCCCC=CCCCCCCCC(O)=O ZQPPMHVWECSIRJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005642 Oleic acid Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000004313 glare Effects 0.000 description 1
- 229910052595 hematite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011019 hematite Substances 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- LIKBJVNGSGBSGK-UHFFFAOYSA-N iron(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Fe+3].[Fe+3] LIKBJVNGSGBSGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QXJSBBXBKPUZAA-UHFFFAOYSA-N isooleic acid Natural products CCCCCCCC=CCCCCCCCCC(O)=O QXJSBBXBKPUZAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/4788—Diffraction
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T5/00—Image enhancement or restoration
- G06T5/73—Deblurring; Sharpening
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Способ обработки изображений спекл-структур от рассеянного лазерного излучения на ориентированных в магнитном поле наночастицах A method for processing images of speckle structures from scattered laser radiation on nanoparticles oriented in a magnetic field
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам и устройствам для контроля параметров магнитного поля в различных магнитных системах, в зоне магнитных аномалий для поиска полезных ископаемых, а также к низкочастотным оптическим коммутационным элементам, которые обладают повышенной устойчивостью к различным негативным внешним воздействиям. Оптическое изображение, сформированное от спекл-структур наночастиц феррожидкости, размещенной в магнитном поле, как в прошедшем, так и отраженном лазерном излучении от спекл-структур, содержит информацию о различных параметрах магнитного поля (величине индукции, однородности, плотности силовых линий и т.д.). Обработка данных изображений дает возможность расшифровать, содержащуюся в изображениях спекл-структур информацию. При расшифровке информации, содержащейся в изображениях, необходимо учитывать ряд особенностей, связанных как с проведением самих измерений, с условиями регистрации и вариациями магнитного поля. От этого зависит точность полученных результатов и качество картины структуры силовых линий магнитного поля. В процессе измерения исключен контакт измерительных элементов измерительного устройства с объектом, который создает магнитное поле, что позволяет проводить исследования на определенном расстоянии, например, от зоны действия сильного неоднородного магнитного поля. Измерительные элементы, используемые в данном методе, не вносят изменений в структуру магнитного поля объекта.The invention relates to instrumentation, namely to methods and devices for monitoring the parameters of the magnetic field in various magnetic systems, in the area of magnetic anomalies for the search for minerals, as well as to low-frequency optical switching elements that have increased resistance to various negative external influences ... An optical image formed from speckle structures of ferrofluid nanoparticles placed in a magnetic field, both in transmitted and reflected laser radiation from speckle structures, contains information on various parameters of the magnetic field (induction value, homogeneity, field line density, etc. .). Image data processing makes it possible to decipher the information contained in the images of speckle structures. When decoding the information contained in the images, it is necessary to take into account a number of features associated with both the measurements themselves, the registration conditions and variations in the magnetic field. The accuracy of the results obtained and the quality of the picture of the structure of the magnetic field lines depend on this. During the measurement process, contact of the measuring elements of the measuring device with the object, which creates a magnetic field, is excluded, which makes it possible to carry out research at a certain distance, for example, from the zone of action of a strong non-uniform magnetic field. Measuring elements used in this method do not change the structure of the object's magnetic field.
Сущность метода заключается в том, что регистрация сигнала происходит от лазерного излучения, рассеянного или отражённого от спекл-структур, состоящих из наночастиц феррожидкости. Спекл-структуры располагаются в зоне силовых линий магнитного поля и отображают её структуру, особенно если магнитное поле однородно. В этом случае спекл структуры обладают определенной периодичностью (чередование зон с прозрачными и непрозрачными слоями для лазерного излучения). В месте размещения камеры для регистрации изображений формируется подобие дифракционной картины, в которой содержаться максимумы и минимумы. Данные максимумы и минимумы в силу особенностей регистрации содержат различные световые засветки и шумы. Выбор строки, зоны обработки с определенным размером и числом пикселей, сравнение полученного изображения с изображениями в расположенных рядом зонах, перекодировка сигналов позволяет существенно снизить влияние паразитных световых шумов, возникающих дополнительных отражений на шероховатостях спекл-структур и засветок на изображение спекл-структур. В результате этого после обработки на экране компьютера, формируется контрастное изображение, представляющее собой подобие дифракционной картины с наличием выраженных максимумов и минимумов.The essence of the method is that the signal is recorded from laser radiation scattered or reflected from speckle structures consisting of ferrofluid nanoparticles. Speckle structures are located in the area of magnetic field lines and reflect its structure, especially if the magnetic field is uniform. In this case, speckle structures have a certain periodicity (alternation of zones with transparent and opaque layers for laser radiation). At the location of the camera for recording images, a semblance of a diffraction pattern is formed, which contains maxima and minima. These maxima and minima, due to the peculiarities of registration, contain various light flares and noises. The choice of a line, processing area with a certain size and number of pixels, comparison of the obtained image with images in adjacent areas, re-coding of signals can significantly reduce the influence of parasitic light noise, additional reflections on the roughness of speckle structures and flares on the image of speckle structures. As a result, after processing on a computer screen, a contrast image is formed, which is a semblance of a diffraction pattern with the presence of pronounced maxima and minima.
Для обработки изображений спекл-структур разработано большое число методов. За прототип выбран способ обработки изображений от спекл-структур для определения подлинности защитных голограмм в режиме экспресс-контроля (патент RU 139535 U1, опубликовано: 20.04.2014). Задачей данного способа, наиболее близкой к предложенному способу, является выделение части дифракционного изображения в отраженном свете при его перемещении в пространстве и сравнение его с дифракционной картиной, полученной от первоначальной структуры объекта до начала движения. К недостаткам данного способа можно отнести, то, что сравнение смещения изображений на голограмме происходит в основном визуально в естественном свете. Для проведения измерения смещения изображения, необходимо проводить эксперименты в стационарной лаборатории с использованием сложных алгоритмов вычисления на основе решения разностных уравнений для системы уравнений Максвелла. При этом надо с высокой точностью определять расстояние, на которое было проведено перемещение голограммы и углы поворота её относительно падающего света. Все это не позволяет после обработки изображений спекл-структур построить большое непрерывное пространственное изображения, например, распределения магнитного поля между полюсами магнитной системы, что является одной из задач, на которое направлено предлагаемое нами изобретение.A large number of methods have been developed for processing images of speckle structures. For the prototype, a method for processing images from speckle structures was chosen to determine the authenticity of security holograms in the express control mode (patent RU 139535 U1, published: 20.04.2014). The task of this method, which is closest to the proposed method, is to isolate a part of the diffraction image in reflected light when it moves in space and compare it with the diffraction pattern obtained from the initial structure of the object before the start of movement. The disadvantages of this method include the fact that the comparison of the displacement of the images on the hologram occurs mainly visually in natural light. To measure image displacement, it is necessary to carry out experiments in a stationary laboratory using complex calculation algorithms based on solving difference equations for the Maxwell system of equations. In this case, it is necessary to determine with high accuracy the distance over which the hologram was displaced and the angles of its rotation relative to the incident light. All this does not allow, after processing the images of speckle structures, to construct a large continuous spatial image, for example, the distribution of the magnetic field between the poles of the magnetic system, which is one of the tasks to which our invention is directed.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое нами изобретение, являются увеличение мобильности, повышение точности и расширение функциональных возможностей по регистрации изображений спекл-структур, связанных с обеспечением контроля изменения структуры магнитного поля в заданной области пространства под действием различных факторов. Особенно большие сложности возникают при исследовании пространственной структуры силовых линий магнитного поля в межполюсном пространстве магнитных систем различной конфигурации с высоким значением индукции. В этих случаях разработанные ранее методы с использованием магнитных пленок, опилок, системы из датчиков Холла использовать крайне сложно.The tasks to be solved by the invention claimed by us are to increase mobility, improve accuracy and expand the functionality for registering images of speckle structures associated with ensuring control of changes in the structure of the magnetic field in a given area of space under the influence of various factors. Especially great difficulties arise in the study of the spatial structure of the magnetic field lines in the interpolar space of magnetic systems of various configurations with a high value of induction. In these cases, the previously developed methods using magnetic films, sawdust, and Hall sensor systems are extremely difficult to use.
Способ иллюстрируется следующими изображениями:The method is illustrated by the following images:
Фиг. 1 Изображение распределения наночастиц феррожидкости в ячейки в отсутствии магнитного поля.FIG. 1 Image of the distribution of ferrofluid nanoparticles into cells in the absence of a magnetic field.
Фиг. 2 Изображение распределения наночастиц феррожидкости в ячейки при однородном магнитном поле.FIG. 2 Image of the distribution of ferrofluid nanoparticles into cells in a uniform magnetic field.
Фиг. 3 Экспериментальная установка для регистрации изображений спекл структур наночастиц в прошедшем и отраженном лазерном излучении.FIG. 3 Experimental setup for recording images of speckle structures of nanoparticles in transmitted and reflected laser radiation.
Фиг. 4 Камера Logitech C920FIG. 4 Logitech C920 camera
Фиг. 5 Изображение, полученное с web камеры с использованием автофокусировкиFIG. 5 Image taken from a web camera using autofocus
Фиг. 6 Изображение, полученное с использованием только матрицыFIG. 6 Image obtained using matrix only
web - камерыweb - cameras
Фиг. 7 Регулировка контрастности, яркости и гаммы входного изображения: (a) - исходное изображение, (b) - обработанное изображениеFIG. 7 Adjusting the contrast, brightness and gamma of the input image: (a) - original image, (b) - processed image
Фиг. 8 Регулировка уровней RGB каналов: (a) - исходное изображение, (b) - обработанное изображениеFIG. 8 Adjusting RGB channel levels: (a) - original image, (b) - processed image
Фиг. 9 Регулировка кривых RGB каналов: (a) - исходное изображение, (b) - обработанноеFIG. 9 Adjustment of RGB channels curves: (a) - original image, (b) - processed
Фиг. 10 Изображение спекл структур после обработки.FIG. 10 Image of speckle structures after processing.
Фиг. 11 Изображение спекл-структур от прошедшего через феррожидкость, размещенную в ячейки, лазерного излучения: а) - соответствует однородному магнитному полю; b) - неоднородному магнитному полю.FIG. 11 Image of speckle structures from laser radiation transmitted through a ferrofluid placed in cells: a) - corresponds to a uniform magnetic field; b) - an inhomogeneous magnetic field.
Фиг. 12 Изображение спекл-структур от отраженного от феррожидкости, размещенной в ячейке, лазерного излучения: а) - соответствует магнитному полю с невысокой степенью неоднородности; b) - магнитному полю с высокой степенью неоднородности.FIG. 12 Image of speckle structures from laser radiation reflected from a ferrofluid placed in a cell: a) - corresponds to a magnetic field with a low degree of inhomogeneity; b) - a magnetic field with a high degree of inhomogeneity.
Для исследования структуры силовых линий магнитного поля в межполюсном пространстве магнитной системы наиболее целесообразно использовать лазерное излучение и ячейки прямоугольной формы с феррожидкостью. Данная ячейка может размещаться как между полюсами магнитной системы, так и рядом с магнитной системой различной конфигурации. Под действием магнитного поля ферромагнитные наночастицы (в феррожидкость состоит из частиц магнетита с размером от 12 до 14 нм или гематита размером от 13 до 16 нм) намагничиваются и размещаются в зонах силовых линий магнитного поля. Чем меньше размер ферромагнитных наночастиц, тем более четче будет воспроизводится ими структура силовых линий магнитного поля. Кроме того, в случае очень высокой плотности силовых линий, использование маленьких частиц позволяет исключить «слипание» силовых линий и образование сгустков по сравнению со случаем использования железных опилок. На фиг. 1 и 2 представлены изображения силовых линий, на которых размещены наночастиц феррожидкости, полученные с использование микроскопа.To study the structure of the magnetic field lines in the interpolar space of the magnetic system, it is most expedient to use laser radiation and rectangular cells with a ferrofluid. This cell can be placed both between the poles of the magnetic system and next to the magnetic system of various configurations. Under the influence of a magnetic field, ferromagnetic nanoparticles (the ferrofluid consists of magnetite particles with a size of 12 to 14 nm or hematite with a size of 13 to 16 nm) are magnetized and placed in the zones of the magnetic field lines. The smaller the size of the ferromagnetic nanoparticles, the more clearly the structure of the magnetic field lines will be reproduced by them. In addition, in the case of a very high density of field lines, the use of small particles makes it possible to eliminate the "sticking" of the field lines and the formation of clumps in comparison with the case of using iron filings. FIG. Figures 1 and 2 show images of field lines on which ferrofluid nanoparticles are located, obtained using a microscope.
Анализ полученных изображений позволяет сделать вывод, что в случае однородного магнитного поля происходит распределение наночастиц в феррожидкости в определенной периодической последовательности (с образованием прозрачных и непрозрачных зон для лазерного излучения). Это позволяет использовать для исследования распределения структуры магнитного поля изображения спекл-структур от рассеянного лазерного излучения на наночастицах прошедшего через ячейку или отраженного от наночастиц феррожидкости.Analysis of the obtained images allows us to conclude that in the case of a uniform magnetic field, nanoparticles are distributed in the ferrofluid in a certain periodic sequence (with the formation of transparent and opaque zones for laser radiation). This makes it possible to use images of speckle structures from the scattered laser radiation on nanoparticles transmitted through the cell or reflected from the nanoparticles of a ferrofluid to study the distribution of the magnetic field structure.
На фиг. 3 представлена структурная схема экспериментальной установки для регистрации изображений спекл-структур наночастиц от прошедшего и отраженного лазерного излучения через ячейку с феррожидкостью. Экспериментальная установка состоит из следующих компонентов:FIG. 3 shows a block diagram of an experimental setup for recording images of speckle structures of nanoparticles from transmitted and reflected laser radiation through a cell with a ferrofluid. The experimental setup consists of the following components:
1. Полупроводниковый лазер на гетероструктурах с λ = 632.8 нм, с длиной поперечной пространственной когерентности Ltk = 10 мм, углом расходимости излучения θ ≈ 0.02 мрад для создания когерентного, монохрамитического излучения;1. Semiconductor laser based on heterostructures with λ = 632.8 nm, with a transverse spatial coherence length Ltk = 10 mm, a radiation divergence angle θ ≈ 0.02 mrad to create coherent, monochramic radiation;
2. Оптическая система (поляризатор) для управления интенсивностью лазерного излучения;2. Optical system (polarizer) for controlling the intensity of laser radiation;
3. Фокусирующая линза с фокусным расстоянием 20 см;3. Focusing lens with a focal length of 20 cm;
4. Ячейка с плоскими гранями с феррожидкостью, состоящей из водного раствора магнетита с объемной концентрацией 0.025 и поверхностно активным веществом - олеиновая кислота;4. A cell with flat faces with a ferrofluid consisting of an aqueous solution of magnetite with a volume concentration of 0.025 and a surfactant - oleic acid;
5. Диафрагма с фокусирующей линзой. Диафрагма предназначена для ограничения попадания на фоточувствительный слой камеры паразитных многократно отраженных изображений лазерного излучения;5. Aperture with focusing lens. The diaphragm is designed to limit the penetration of parasitic multiple reflected images of laser radiation onto the photosensitive layer of the camera;
6. Видео камера Logitech C920 для регистрации изображений спекл-структуры;6. Video camera Logitech C920 for registration of speckle-structure images;
7. Ноутбук для обработки регистрируемых изображений спекл-структуры отраженного и прошедшего лазерного излучения и для определения необходимых операции по подстройки оптической системы по максимуму контраста.7. A laptop for processing the registered images of the speckle structure of the reflected and transmitted laser radiation and for determining the necessary operations to adjust the optical system to the maximum contrast.
Явлениями, связанными с неоднократным отражением лазерного излучения в стенках кюветы, а также от феррожидкости со стенками кюветы, пренебрегаем, в силу малости интенсивности отраженного лазерного излучения, так как ячейка изготовлена из кварцевого стекла с показателем преломления 1.46. Расстояние между лазером и ячейкой при проведении регистраций изображений составляло 30 см, расстояние между ячейкой и видеокамерой - 60 см. Весь размер экспериментальной установки не превышал 120 см. Для регистрации изображений использовалась камера logitech c920 c максимальной частота кадров - 30 Гц, разрешающая способность матрицы - 1920x1080 (фиг. 4). Для исключения различных явлений, связанных с многократным отражением лазерного излучения, камера подверглась модификации. С камеры были сняты все оптические линзы, которые формировали переотражения и блики. Также было установлено, что использование автофокусировки в камере приводит к захвату всех изображений. На фиг. 5 представлена регистрируемое изображение с использованием автофокусировки. Установлено, что положение дифракционных максимумов и минимумов спекл-изображений расплывается и измерения проводить невозможно. Поэтому из камеры logitech c920 (фиг. 4) был удален автофокусирующий элемент. Это позволило получить следующее изображение (фиг. 6). Анализ этого изображения показывает, что его необходимо обработать для получения необходимого контрастного изображения на экране монитора компьютера, используя которое позволит определить порядок дифракции.We neglect the phenomena associated with repeated reflection of laser radiation in the walls of the cell, as well as from a ferrofluid with the walls of the cell, due to the low intensity of the reflected laser radiation, since the cell is made of quartz glass with a refractive index of 1.46. The distance between the laser and the cell during image registration was 30 cm, the distance between the cell and the video camera was 60 cm.The entire size of the experimental setup did not exceed 120 cm.A Logitech c920 camera was used for recording images with a maximum frame rate of 30 Hz, the resolution of the matrix was 1920x1080 (Fig. 4). To eliminate various phenomena associated with multiple reflections of laser radiation, the camera has been modified. All optical lenses were removed from the camera, which formed reflections and glare. It has also been found that using in-camera autofocus results in all images being captured. FIG. 5 shows the captured image using autofocus. It was found that the position of the diffraction maxima and minima of the speckle images is blurred and measurements are impossible. Therefore, the autofocus element was removed from the Logitech c920 camera (Fig. 4). This made it possible to obtain the following image (Fig. 6). Analysis of this image shows that it must be processed to obtain the required contrast image on the computer monitor screen, which will help determine the diffraction order.
В настоящее время существует огромное количество моделей мониторов от различных производителей. Мониторы существенно различаются. Это создает проблемы при воспроизведении зарегистрированных изображений спекл-структур при подключении системы регистрации сигнала к различным компьютерам. Поэтому нами был разработан способ обработки изображений с использованием единой системы цветовых пространств RGB (red, green, blue). Данная система представляет собой куб с гранями 1x1x1. Каждая грань представляется в виде октета (28) и может иметь 256 значений интенсивности, где 0 - минимум, а 255 - максимум.Currently, there are a huge number of monitor models from various manufacturers. Monitors vary considerably. This creates problems in the reproduction of the registered images of speckle patterns when the signal registration system is connected to various computers. Therefore, we have developed a method for image processing using a unified system of RGB color spaces (red, green, blue). This system is a cube with 1x1x1 faces. Each face is represented as an octet (28) and can have 256 intensity values, where 0 is the minimum and 255 is the maximum.
Результаты экспериментов показали, что входное изображение получается неточным в связи с присутствием BG каналов, которые имеют каждый свою цветовую гистограмму. В данном случае присутствие BG интенсивности является побочным эффектом в связи с тем, что компьютер аппаратно пытается достроить входную картинку для лучшего восприятия ее глазом. Вследствие этого появляется большое количество шумов, которые существенно влияют на визуализацию магнитного поля через значение интенсивности входного излучения. Для получения более точной информации об интенсивности следует выравнивать яркость, контрастность, гамму и оттенок до среднего значения. На фиг. 7 представлены результаты данной обработки изображения.The experimental results showed that the input image is inaccurate due to the presence of BG channels, which each have their own color histogram. In this case, the presence of BG intensity is a side effect due to the fact that the computer hardware tries to complete the input image for better perception of it by the eye. As a result, a large amount of noise appears, which significantly affects the visualization of the magnetic field through the value of the intensity of the input radiation. For more accurate intensity information, equalize brightness, contrast, gamma, and hue to average. FIG. 7 shows the results of this image processing.
Полученные результаты показали, что этого бывает недостаточно, в регистрируемом изображении остается еще большое количеством шумов (фиг. 8.а). Поэтому в разработанном способе используется регулировка RGB каналов. Это позволяет существенно улучшить изображение (фиг. 8.b)The results obtained showed that this is not enough, there is still a large amount of noise in the recorded image (Fig. 8.a). Therefore, the developed method uses RGB channels adjustment. This allows you to significantly improve the image (Fig.8b)
При использовании в экспериментах лазерного излучения с большой интенсивностью в случаях исследованиях небольших вариаций магнитных полей (близких к магнитному полю Земли) шумы в регистрируемом изображении остаются (фиг. 9.а). Поэтому в разработанном способе применяется регулировка кривых RGB каналов, которая позволяет сделать несущественным влияние шумов, связанных с аппаратным достроением компьютера по G и B каналам на изображение от пекл структур (фиг. 9.b). Заключительным этапом обработки в разработанном способе является выбор интенсивности цветового излучения от порядкового номера пикселя. Это позволяет получить контрастное изображение спекл-структур для проведения исследований структуры магнитных полей.When using in experiments laser radiation with high intensity in cases of studies of small variations in magnetic fields (close to the magnetic field of the Earth), the noise in the recorded image remains (Fig. 9.a). Therefore, in the developed method, adjustment of RGB channels curves is used, which makes it possible to make insignificant the influence of noise associated with computer hardware on G and B channels on the image from hell structures (Fig. 9.b). The final stage of processing in the developed method is the selection of the intensity of the color radiation from the ordinal number of the pixel. This makes it possible to obtain a contrasting image of speckle structures for studying the structure of magnetic fields.
ПримерExample
На фиг. 10 представлен пример изображения спекл-структур после её обработки разработанным нами способом в случае размещения феррожидкости в ячейке в однородном магнитном поле.FIG. 10 shows an example of an image of speckle structures after processing it by the method developed by us in the case of placing a ferrofluid in a cell in a uniform magnetic field.
Сравнение, полученных результатов с исследованиями структуры магнитного поля (фиг. 10) с использованием микроскопа и камеры подтверждают работоспособность предложенного способа обработки изображений спекл-структур, использование которого необходимо для исследования структуры силовых линий магнитного поля.Comparison of the results obtained with studies of the structure of the magnetic field (Fig. 10) using a microscope and a camera confirms the efficiency of the proposed method for processing images of speckle structures, the use of which is necessary to study the structure of magnetic field lines.
На фиг. 11 представлены изображения спекл-структур для различных случаев магнитного поля, в котором размещена ячейка с феррожидкостью. Изображение на фиг. 11.а соответствует случаю размещения феррожидкости в ячейки в однородном магнитном поле. Форма полос на изображении повторяется в определенной последовательности. В случае создания в зоне размещения феррожидкости в ячейке неоднородного магнитного поля вид и форма полос на регистрируемом изображении (фиг. 11.b) существенно изменяется.FIG. 11 shows images of speckle structures for various cases of a magnetic field in which a cell with a ferrofluid is located. The image in FIG. 11.a corresponds to the case of placing a ferrofluid in cells in a uniform magnetic field. The shape of the stripes in the image is repeated in a specific sequence. If an inhomogeneous magnetic field is created in the area where the ferrofluid is located in the cell, the appearance and shape of the stripes on the recorded image (Fig. 11.b) changes significantly.
На фиг. 12 представлены изображения спекл-структур от отраженного от феррожидкости, размещенной в ячейке, лазерного излучения для различной степени неоднородности магнитного поля.FIG. 12 shows images of speckle structures from laser radiation reflected from a ferrofluid placed in a cell for various degrees of inhomogeneity of the magnetic field.
Полученный результат на фиг. 12 показывает, что в изображении спекл-структур, полученном в отраженном излучении, также есть симметрия между полосами (фиг. 12.а) при слабой неоднородности магнитного поля. При ухудшении неоднородности магнитного поля данная симметрия нарушается (фиг. 12.b).The result obtained in FIG. 12 shows that in the image of speckle structures obtained in reflected radiation, there is also symmetry between the stripes (Fig. 12.a) with a weak inhomogeneity of the magnetic field. With the deterioration of the inhomogeneity of the magnetic field, this symmetry is violated (Fig. 12.b).
Анализ экспериментальных результатов исследования магнитных полей с использованием разработанного нами способа обработки изображений спекл-структур показал, что представленная информация об изображении спекл-структур позволяет реализовать выбор строки по высоте ячейке и построить распределение интенсивности. Это позволит определить положение максимумов и минимумов и оценить расстояние между силовыми линиями магнитного поля.An analysis of the experimental results of the study of magnetic fields using the method developed by us for processing images of speckle structures showed that the information provided on the image of speckle structures makes it possible to select a row by cell height and plot the intensity distribution. This will make it possible to determine the position of the maxima and minima and to estimate the distance between the lines of force of the magnetic field.
Кроме того, полученные нами экспериментальные результаты позволили установить еще одну особенность. Степень контраста изображения спекл-структур от прошедшего через феррожидкость лазерного излучения выше, чем в регистрируемом изображении спекл-структур в отраженном излучении. Поэтому в случае определения расстояния между силовыми линиями по регистрируемому изображению спекл-структур, точность измерений будет выше при использовании изображения от прошедшего через ячейку с феррожидкостью лазерного излучения.In addition, our experimental results allowed us to establish one more feature. The degree of contrast of the image of the speckle structures from the laser radiation transmitted through the ferrofluid is higher than in the recorded image of the speckle structures in the reflected radiation. Therefore, in the case of determining the distance between the lines of force from the recorded image of the speckle structures, the measurement accuracy will be higher when using the image from the laser radiation passed through the cell with the ferrofluid.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020139425A RU2756375C1 (en) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | Method for processing images of speckle structures from scattered laser radiation on ferrofluid nanoparticles oriented in a magnetic field |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020139425A RU2756375C1 (en) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | Method for processing images of speckle structures from scattered laser radiation on ferrofluid nanoparticles oriented in a magnetic field |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2756375C1 true RU2756375C1 (en) | 2021-09-29 |
Family
ID=77999997
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020139425A RU2756375C1 (en) | 2020-12-01 | 2020-12-01 | Method for processing images of speckle structures from scattered laser radiation on ferrofluid nanoparticles oriented in a magnetic field |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2756375C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2021623C1 (en) * | 1990-11-14 | 1994-10-15 | Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского | Specklegram processing method |
CN103020988A (en) * | 2012-11-27 | 2013-04-03 | 西安交通大学 | Method for generating motion vector of laser speckle image |
US20180296103A1 (en) * | 2015-10-09 | 2018-10-18 | Vasoptic Medical, Inc. | System and method for rapid examination of vasculature and particulate flow using laser speckle contrast imaging |
US20200257185A1 (en) * | 2019-02-12 | 2020-08-13 | The Regents Of The University Of California | Motion stabilized laser speckle imaging |
-
2020
- 2020-12-01 RU RU2020139425A patent/RU2756375C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2021623C1 (en) * | 1990-11-14 | 1994-10-15 | Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского | Specklegram processing method |
CN103020988A (en) * | 2012-11-27 | 2013-04-03 | 西安交通大学 | Method for generating motion vector of laser speckle image |
US20180296103A1 (en) * | 2015-10-09 | 2018-10-18 | Vasoptic Medical, Inc. | System and method for rapid examination of vasculature and particulate flow using laser speckle contrast imaging |
US20200257185A1 (en) * | 2019-02-12 | 2020-08-13 | The Regents Of The University Of California | Motion stabilized laser speckle imaging |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Feng et al. | General solution for high dynamic range three-dimensional shape measurement using the fringe projection technique | |
Wetzstein et al. | Refractive shape from light field distortion | |
Kondo et al. | Accurate polarimetric BRDF for real polarization scene rendering | |
KR102415501B1 (en) | Method for assuming parameter of 3d display device and 3d display device thereof | |
CN108508588B (en) | A kind of multiple constraint information without lens holographic microphotography phase recovery method and its device | |
JP6509914B2 (en) | Image sensor for depth estimation | |
WO2011070708A1 (en) | Image processing apparatus | |
CN107038719A (en) | Depth estimation method and system based on light field image angle domain pixel | |
US20160040983A1 (en) | Apparatus and method for measuring quality of holographic image | |
JP2013029496A (en) | Device evaluating depth of element in three-dimensional scene | |
RU2756375C1 (en) | Method for processing images of speckle structures from scattered laser radiation on ferrofluid nanoparticles oriented in a magnetic field | |
CN104813217B (en) | For the method for the passive single channel imager for being designed to estimate the depth of field | |
KR20180048082A (en) | Apparatus and method for assessing image quality of integral imaging display | |
Niu et al. | Rapid detection of highly reflective surface defects based on digital micromirror device | |
US20200410654A1 (en) | Image processing apparatus, imaging apparatus, and image processing method | |
US10798364B2 (en) | 3D image reconstruction based on lensless compressive image acquisition | |
CN107909578A (en) | Light field image refocusing method based on hexagon stitching algorithm | |
CN106331677B (en) | The evaluation method and system of bore hole stereoscopic display intermediate-resolution index | |
EP3819586B1 (en) | Method for generating a three-dimensional model of an object | |
CN108645336B (en) | Reference-light-free digital holographic camera and calibration method | |
JP2012177756A (en) | Stereoscopic image acquisition device | |
Damian et al. | The evaluation of single-pixel camera resolution | |
RU173576U1 (en) | Device for obtaining stereoscopic images of small objects | |
KR102382206B1 (en) | Camera system with offset pixel aperture and operation method thereof | |
Fathiazar et al. | Estimation of neuronal activity based on voltage-sensitive dye imaging in a moving preparation |