Obrazová analýza pomocí scanneru

Návod pro laboratorní úlohu z měřicí techniky Práce O4 Obrazová analýza pomocí scanneru 1

1 Úvod: Tato laboratorní úloha je koncipována jako seznámení se s principy snímání obrazů pomocí scanneru a jejich následnou obrazovou analýzou programem NIS-Elements (resp. NIS Elements, firmy Laboratory Imaging). Základním předpokladem pro úspěšné provedení obrazové analýzy je správné sejmutí obrazu analyzovaného materiálu. Tento proces je ovlivňován mnoha faktory, z nichž nejdůležitějšími jsou charakter materiálu (tloušťka, průhlednost, barva) a kvalita scanneru. 1.1 Scanner Scanner je plnohodnotný opak tiskárny světlem snímá informace na papíře a převádí je do digitální podoby nul a jedniček. Většina scannerů snímá barevně, málokteré jsou však schopny skenovat automaticky několik stránek papíru za sebou. Nejpoužívanějšími scannery jsou stolní, deskové scannery, které pracují stejně jako kopírka: Na skleněnou desku se položí předloha (která může být více plastičtější, než je papír kupříkladu propiska, brýle, krajíc chleba), přikryje se a skenuje. Z pojízdného ramena je svazkem paprsků vždy snímán celý řádek bodů, při průchodu přes celou snímací plochu je tak osvětlen celý dokument (objekt). Odražené světlo je optickou soustavou (zrcadla, čočky) usměrněno na elektronické prvky CCD citlivé na světlo, které převádí analogové informace o intenzitě světla do digitální podoby. Snímaná předloha je vyhodnocována jako matice bodů, přičemž každému bodu je přiřazen jeden z 32 až 255 odstínů šedé barvy (rozsah od bílé po černou je rozdělený na 32 až 255 různých hodnot). Stupeň šedi se získá vyhodnocením intenzity odraženého světla od ozářeného bodu. Jako světelný zdroj se používá laserový paprsek nebo skupina svítivých LED diod. Jim jsou přiřazeny fotodetektory. Takto sejmutý obraz, rozložený na body, se přes kabel, adaptér a DMA ukládá do videopaměti a následně se zobrazí na obrazovce. (pozn. DMA = Direct Memory Access, tj. přímý přístup do paměti, jedná se o schopnost sběrnice posílat data přímo z připojeného zařízení (např. scanner) do paměti) Rozlišení je základní parametr každého scanneru, který z velké části vypovídá o jeho kvalitě čím vyšší, tím lepší. Stejně jako u tiskáren se udává v jednotce dpi (dots per inch), čímž oznamuje, kolik bodů bude naskenováno z jednoho délkového palce; například 300 dpi znamená, že skenovaná linka o délce jednoho palce (2,54 cm) bude zaznamenána 300 body v grafickém formátu obrázku. Neboli, scanner s vyšším rozlišením zaznamená více detailů (někdy i zbytečně mnoho), je to však vyváženo delším časem snímání předlohy a větší velikostí uloženého obrázku. Aby vše nebylo tak jednoduché, rozlišujeme u scannerů dva typy rozlišení: Optické neboli také pravé rozlišení. Udává, kolik bodů skutečně scanner vidí kolik senzorů má vměstnaných v délce jednoho palce. Často se rozlišení uvádí jako 300 600 dpi či 600 1 200 dpi, což znamená, že v jednom směru má scanner skutečně pouze 300 či 600 snímacích senzorů, nicméně v druhém směru s nimi umí pohybovat jemněji, v 600 či 1 200 mezikrocích. Interpolované neboli domyšlené rozlišení. Udává, kolik bodů si umí scanner dopočítat z toho, co je skutečně schopen nasnímat. Je-li optické rozlišení scanneru 300 dpi, ale my snímáme v rozlišení 600 dpi, výsledek má každý druhý bod v horizontálním i vertikálním směru dopočítán jako střední hodnota z barevných hodnot bezprostředně sousedících bodů, které byly skutečně naskenovány. Výsledek je tedy z více jak poloviny (i když rozumně) vymyšlený. Interpolované rozlišení mohou mít scannery až několikanásobně vyšší než optické rozlišení, obvykle až 4 800 dpi či 9 600 dpi. Snímáním v takovém rozlišení však nedostaneme detaily, které jsou na originálu patrné, ale pouze rozmazaný náznak originálních obrysů!!! 2

Snímání barevného obrazu probíhá třemi způsoby: Předloha se snímá 3x a to vždy s jiným filtrem a dílčí obrazy se poté skládají do výsledného obrazu. Kvalita je závislá na kvalitě vlastní mechaniky. Každá sebemenší nepřesnost se projevuje neostrostí obrazu. Předloha se snímá 1x, ale každá řádka je osvětlena postupně třemi filtry těsně po sobě. Časově je tato metoda rychlejší. Používá se jedna lampa a rozklad světla přicházející od předlohy se provádí pomocí optického hranolu na 3 základní barvy a paprsky se vedou na 3 řádkové snímače CCD. Protože se jedná vždy o velmi přesné umístění snímače, dochází často k barevnému zkreslení. 1.2 Skenovaný materiál Skenovat je možné prakticky cokoliv, ale měli bychom si uvědomit, že scanner poskytuje plošný obraz pouze té strany objektu, která je položená na sklo. Navíc jsme omezeni velikostí, většina scannerů má rozměr skla formátu A4 (tj. 210 297 mm), větší objekty je nutné skenovat postupně a poté složitě skládat výsledný obraz z dílčích. Limitující je také již zmíněné rozlišení scanneru, které nám povoluje kvalitně sejmout pouze detaily omezené velikosti (to je v podstatě stejné jako při fotografování). Ani hloubka ostrosti není u scanneru velká, ostře sejme skutečně pouze materiál ležící na jeho desce, detaily, které leží nad deskou jsou rozmazané, případně tmavé. Z tohoto hodnocení vyplývá, že pro skenování, se kromě klasických fotografií nebo jiných předloh na papíře, hodí spíše plošné objekty větších rozměrů (detaily větší než 1 mm, celkový rozměr menší než A4). 2 Použité zařízení - Multifunkční zařízení OKI C5540 MFP. Pomocí tohoto víceúčelového zařízení je možné tisknout nebo kopírovat barevné i černobílé obrazy vysokou rychlostí na celou řadu kancelářských tiskových médií a také snadno skenovat papírové dokumenty i jiné ploché objekty a vzniklý obraz odesílat na různá místa (e-mailové adresy, tiskárny, servery FTP nebo počítače propojené do sítě). Toto víceúčelové zařízení nabízí následující funkce: Skenování do e-mailu, na server FTP nebo do adresáře na libovolném počítači síťově připojenému k tomuto zařízení. Skenování je možné v kvalitě až 1200 dpi, získané snímky mají tedy velmi vysokou kvalitu a jsou vhodné i pro měření v rámci obrazové analýzy Rychlý tisk až 16 plnobarevných stránek za minutu pro barevné, profesionálně vyhlížející prezentace a jiné dokumenty. Rychlé kopírování až 8 plnobarevných kopií za minutu (při rozlišení 300 dpi). Rychlý a výkonný černobílý tisk až 24 stránek za minutu pro běžné dokumenty. Rychlé a výkonné černobílé kopírování až 16 stránek za minutu (při rozlišení 300 dpi) pro běžné dokumenty. Rozlišení 1200x600 dpi umožňující tisk vysoce kvalitních obrázků s nejjemnějšími podrobnostmi. Rozlišení pro kopírování 600x600 dpi..a další funkce zařízení jako (síťové) tiskárny, kopírky a scanneru (oboustranný tisk díky duplexní jednotce, odeslání více stránek ke kopírování nebo skenování,. ) 3

3 Použitý software 3.1 ScanSoft Paper Port 9.0 Program ScanSoft Paper Port 9.0 slouží ke skenování dokumentů i jiných obrazů multifunkčním zařízením OKI C5540 MFP. Tento program umožňuje nejen získání obrazu prostřednictvím scanneru, ale také následnou úpravu obrazu pomocí základních funkcí zaostření, vyhlazení, vyvážení jasu a podobně. V této práci bude program ScanSoft Paper Port 9.0 používán pouze ke skenování, ostatní úpravy obrazu již budou prováděny programem NIS-Elements. Po spuštění programu se otevře okno, které nabízí nastavení formátu a charakteru skenovaného objektu (textu nebo obrázku) a souboru, kam budou ukládány naskenované obrazy. V této úloze využijeme pouze skenování obrazů nikoliv dokumentů. Nastavení a přesné ovládání programu bude popsáno v návodu, který obdržíte na začátku laboratorního cvičení. 3.2 NIS-Elements AR 2.30 Program NIS-Elements (do srpna 2006 s obchodním názvem LUCIA) je nejpoužívanější software pro obrazovou analýzy na VŠCHT Praha a jeden z nejpoužívanějších v ČR. Důvodem této obliby je to, že má českého výrobce Laboratory Imaging, s.r.o. a tudíž i českou jazykovou verzi, což je velmi výhodné především pro výuku. NIS-Elements je systém obrazové analýzy určený ke sledování, snímání, archivaci a ručnímu nebo automatizovanému měření preparátů. Používaný snímací systém nejčastěji tvoří optický přístroj (mikroskop, stereomikroskop resp. makrooptika nebo jako v této práci scanner), dále kamera nebo digitální fotoaparát, nezbytný počítač a softwarové vybavení. Vybavení programu NIS-Elements je možné rozdělit do několika stupňů rozdělených podle náročnosti prováděné obrazové analýzy, v této laboratoři je používán III. stupeň nazvaný NIS- Elements Advanced Research. NIS-Elements Advanced Research - III. stupeň Softwarové vybavení určené pro plně automatizované a náročné úlohy, často spojené s rozhodovacími procesy během měření. Advanced Research obsahuje veškeré možnosti Measurementu (tj. základní verze programu = I. a II. stupeň); většina funkcí je dále posílena o doplňky k speciálnímu použití. V základní programové výbavě NIS-Elements Advanced Research obsahuje následující prvky, z nichž některé budou podrobněji popsány v následujících odstavcích: Nastavení a ovládání snímací kamery Živé zobrazení na monitoru resp. výběr části obrazovky, kde je živý obraz Snímání jednotlivých snímků, sekvence (sady) snímků, snímání velkých obrázků Úprava sejmutého obrazu základními nástroji (kontrast, SW doostření, SW vyhlazení) Rozměrová kalibrace systému pro jednotlivé optické konfigurace (pro více zvětšení) Ruční proměřování délek, ploch a úhlů pomocí myši s výstupem dat Prahování - segmentace obrazu na objekty a pozadí Základní binární operace na segmentovaném obrazu (eroze, dilatace, otevření, zavření, zaplnění děr, obrysy...) Ruční editor binárního obrazu 4

Automatizované měření planimetrických veličin (plocha, max. a min. rozměry, protažení, cirkularita, délka, šířka.) Programování - vytváření maker pro opakující se úlohy Úprava barevných obrazů obsahuje morfologické funkce (erozi, dilataci, morfologický gradient, detekci hran.) Úprava binárních obrazů obsahuje rozšířené funkce (separaci binárních objektů, skeleton, ořezání konců čar, zóny vlivu, jednobodové značení.) Srovnávací funkce pro dva barevné obrazy (vzájemné posuny, otočení, smrštění nebo roztažení, diferenční funkce) Kombinace více binárních obrazů - binární operace (průnik, sjednocení, porovnávání, odečítání) Měření v masce - lze měřit v libovolně velké ploše různého tvaru, může být složena i s více vzájemně nepropojených oblastí; masku lze vytvořit prahováním nebo ručním editorem; lze vzájemně propojit masku a binární obrazy Měření s omezením veličin (např. jen objekty s plochou větší než 50 µm) a řada dalších funkcí Příklad využití funkcí měření v programu NIS-Elements (zdrojem obrazů je prospekt k programu NIS-Elements vydaný firmou Laboratory Imaging, s r.o.) Pro náročnější a speciální operace obrazové analýzy lze k základnímu programu NIS- Elements Advanced Research (příp. NIS-Elements Image resp. Measurement) zakoupit další přídavné moduly, které nám umožní např. rozšířené ovládání zařízení mikroskopu nebo náročnější analýzu získaných snímků. 5

Obecný postup analýzy obrazu programem NIS-Elements Advanced Research je následující: 1. Sejmutí obrazu V této úloze je obraz snímán programem ScanSoft Paper Port. Snímání obrazu pomocí funkcí programu NIS-Elements se tedy budeme zabývat v dalších úlohách (při použití mikroskopů nebo získávání makrosnímků návody O1 až O3). Pokud snímáme obraz jinak než kamerou, připojenou k počítači, zvolte v dialogovém okně, které se otevře po kliknutí na ikonu NIS-Elements, možnost Žádný grabber. Po potvrzení tlačítkem OK se program bez problémů spustí a budou fungovat všechny funkce obrazové analýzy (samozřejmě kromě funkcí pro snímání obrazu). 2. Otevření obrazu Obraz sejmutý jinak než přímo online kamerou se otevírá jednoduše příkazem Otevřít v nabídce Soubor. 3. Úprava barevného obrazu nabídka Obraz Oříznout Pokud naskenovaný obraz obsahuje zbytečně mnoho pozadí a objektů, které nebudou analyzovány, je možné příkazem Oříznout upravit velikost obrazu tak, aby obsahoval všechny objety, které mají být analyzovány a pokud možno minimum rušivých částí. Oříznout je možné pouze do tvaru obdélníku a výběr se nastaví táhnutím myši a potvrdí tlačítkem Enter. Kontrast Pokud se sledované detaily v obraze svou světlostí málo liší od ostatních objektů, pak je možné jejich kontrast zvýšit funkcí Kontrast (pro šedý obraz) příp. Kontrast složek pro zvýraznění barevných složek obrazu. Při posouvání hodnot kontrastu na stupnici se v náhledu zobrazuje porovnání původního a upraveného obrazu. Upravit obraz Funkce v nabídce Upravit obraz umožňují další změny barev a intenzity v obraze, jako jsou například matematické transformace jednotlivých barev, změna sytosti nebo odstínu apod.. Vyhladit/Zaostřit Tyto funkce potlačí resp. zvýrazní detaily v obraze. Velikost/Otočit/Převrátit/Posunout Tyto funkce manipulují s obrazem a upravují jeho rozměry. Detekce Funkce v menu Detekce vyhledávají a zvýrazní (zvýšením světlosti) určité vlastnosti obrazu, jako jsou hrany nebo oblasti, kde hodnoty světlosti vytvářejí tzv. údolí nebo vrcholy,tj. lokální minima nebo maxima. Morfologie Morfologické funkce upravují objekty v obraze tak, že je zmenší nebo odstraní (Eroze), zvětší a příp. spojí (Dilatace), vyhladí kontury, odstraní malé objekty, rozpojí objekty spojené tenkou šíjí (Otevření) nebo zaplní díry, vyhladí okrajové trhliny a spojí blízké objekty (Zavření). 4. Transformace obrazu Konverze Tato funkce z nabídky Obraz převádí barevný obraz na šedý (Převést do šedého obrazu), obraz vyjádřený RGB (červená, zelená, modrá) stupnicí převedou na HSI (odstín, sytost, světlost) stupnici (Převést RGB na HSI) a naopak (Převést HSI na RGB). Dále je možné z obrazu vybrat jednu barevnou vrstvu příp. určitou hodnotu světlosti, odstínu a převést ji do šedé 6

stupnice (Vytáhnout složku - výsledkem je tedy šedý obraz vytvořený na základě specifických požadavků uživatele). Prahování Prahování je jedna z nejdůležitějších funkcí obrazové analýzy, která převádí barevný nebo šedý obraz na binární (tj. obraz, ve kterém jsou pouze dvě hodnoty barev obvykle černá a bílá). Program NIS-Elements dovoluje prahovat (tedy stanovit práh mezi pozadím a objekty v binárním obraze) podle jednotlivých barevných složek obrazu (Prahování resp. Prahování po složkách), podle hodnot HSI (Prahovat podle HSI) a nebo podle předem stanovené reference (Prahování podle reference). 5. Editace binárního obrazu nabídka Binární Otevření/Uzavření/Eroze/Dilatace/Vyčištění/Vyhlazení Tyto funkce jsou obdobou výše zmíněných funkcí pro barevný obraz, pouze pracují s binárním obrazem. Uzavřít díry/zaplnit díry Tyto funkce se používají v těch případech, kdy chceme např. měřit plochu objektů, ve kterých vznikly během prahování a jiných úprav kvůli odleskům nebo jiným jasovým odchylkám díry. První funkce uzavře díry, které jsou v úzkém místě otevřeny a druhá funkce pak takto uzavřené díry vyplní. Konvexní obálka Funkce vytvoří konvexní obal kolem objektů (někdy to může pomoci, např. při pouhém počítání objektů, ale při měření plochy částic se tato funkce nedoporučuje vzhledem k tomu, že přidává objektům další pixely navíc, které by mohly rušit přesné měření). Obrysy - Tato funkce vyhledá a zvýrazní obrysy objektů. Morfologická separace objektů Tato funkce umí rozdělit objekty, které se překrývají nebo dotýkají (oddělit objekty je možné i manuálně, nakreslením čáry do obrazu viz Vložit čáru, kruh, elipsu). Lineární/Pokročilá morfologie Tyto funkce provádějí jednoduché i velmi složité morfologické operace s objekty v obraze (pracují tedy s rozměry a tvarem objektů a mění je podle druhu funkce a požadavků uživatele). Zpracování po objektech Tato funkce umožňuje provádět příkazy (funkce) pro každý objekt zvlášť (příkazy se zadávají textově nebo výběrem ze seznamu). Vložit čáru, kruh, elipsu Pomocí této funkce je možné do obrazu vložit geometrický tvar v barvě objektů nebo pozadí binárního obrazu. Vkládání tvarů v barvě objektů se používá např. pro dokreslení objektu, pokud se jeho část prahováním odstranila a nebo pro přidání objektu, který při prahování zcela zmizel. barva pozadí se používá pro již zmíněnou separaci nakreslením úsečky mezi dvěma dotýkajícími se objekty nebo vymazání nežádoucích objektů. 6. Výběr objektů v obraze nabídka Měření Editace masky Editor masky Slouží k úpravě barevného i binárního obrazu tak, aby neobsahoval nežádoucí objekty, které by mohly rušit analýzu nebo naopak k výběru požadovaných objektů. Po spuštění editoru se změní levá i horní lišta programu. V levém rohu se volí, zda budou maskou označeny objekty, které se mají analyzovat (přepnutím čtvercového políčka na pozici FG - ), nebo 7

naopak objekty, které se mají přesunout do pozadí (pozice BG ). Dále se volí nástroj, kterým se bude masku vytvářet (obdélník, kruh, linii, elipsu či libovolný jiný i nepravidelný tvar). Pravidelné tvary se vytvoří pouhým zakreslením tvaru do obrazu potažením myši, nepravidelný tvar se vytvoří vyznačením několika bodů určujících rozměry a tvar masky a nakonec potvrzením vykreslení masky pravým tlačítkem myši. Když je maska hotová (může mít i několik částí), editor se zavře a pokračují další úpravy a analýzy obrazu. 7. Měření nabídka Měření Interaktivní měření Toto měření umožňuje uživateli provádět přímá měření objektů s okamžitým výstupem naměřených údajů ve zvolených jednotkách. Můžeme si vybrat z těchto parametrů: Délka, Plocha, Profil intenzity, Taxonomie, Počet, Poloměr, Poloosy, Úhel. Měření jednotlivých objektů Při použití této funkce program změří předem nastavené parametry všech objektů v binárním obraze; nejprve je nutné nastavit Příznaky pro měření objektů, příp. Omezení hodnot příznaků (tedy nastavení mezí měření), poté Změřit objekty a nakonec je možné přečíst Výsledky měření objektů. Měření polí Obdobně jako jednotlivé objekty je možné měřit pole, kdy jsou změřeny zvolené parametry objektů (Příznaky pro měření polí) a zprůměrňovány pro všechny objekty dohromady (tj. za celé pole). Měřicí rámeček Toto je velmi důležité nastavení rámečku určujícího, které objekty v obraze budou (uvnitř rámečku) a které nebudou (vně rámečku) měřeny; rámeček je možné upravit i po stisknutí klávesy F popotažením jeho okrajů myší. Rámeček má strany označeny dvojím způsobem, čárkovanou a plnou čárou. Objekty, které se dotýkají plné čáry (levý a spodní okraj rámečku) nebudou do měření započítány. Objekty dotýkající se čárkované linky (pravý a horní okraj rámečku) se do měření započítávat budou. 8. Vytvoření makra nabídka Makro Makro slouží k tomu, aby uživatel nemusel při opakovaných analýzách vždy znovu nastavovat všechny použité funkce, ale mohl celý sled funkcí spustit pouhým jedním kliknutím. Nové, Otevřít - Zde se vytvoří a uloží nové makro nebo otevře makro již hotové. Vytvoření a pojmenování nového makra je nutné udělat před začátkem nahrávání makra, jinak bude sled funkcí zapisován do přednastaveného makra s názvem pracovní.mac. Záznam (F3) - Pokud je zvoleno požadované makro (nové, již dříve vytvořené nebo pracovní), spustí se klávesou F3 záznam funkcí a dále se provádí analýza tak, jak si to uživatel předem vyzkoušel. U dříve vytvořeného nebo pracovního makra budou dříve zaznamenané funkce přepsány příp. 8

zachovány a k nim budou přidány funkce nové (podle toho, jak si uživatel vybere v dialogovém okně, které se objeví po stisku klávesy F3). Po provedení všech úprav a měření v obrazu se nahrávání makra ukončí opět tlačítkem F3 a nebo v nabídce Makro pokynem Zastavit záznam. Editovat (F8) Zde je možné editovat makro jako textový program, tedy textově měnit parametry funkcí, mazat nebo přidávat funkce. Tato funkce je určena především pro zkušenější uživatele programu NIS-Elements. 9