Регистрация / Вход
Прислать материал

Сжатие цифровых голограмм для медицинских и биологических приложений и систем трехмерного наблюдения

Сведения об участнике
ФИО
Курбатова Екатерина Алексеевна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Науки о жизни и медицина
Раздел области наук
Медицинская физика и медицинская техника
Тема
Сжатие цифровых голограмм для медицинских и биологических приложений и систем трехмерного наблюдения
Резюме
Цифровая голография позволяет восстанавливать информацию о 3D-сценах, в том числе для медицинских, информационных и биологических задач, а также при регистрации системами видеонаблюдения. Для повышения скорости передачи информации об объектах и снижения объёмов архивной памяти, требуемой для её хранения, необходим метод оперативного сжатия цифровых голограмм, дающий хорошее качество восстановления сцен. В работе предлагается разработка метода сжатия голограмм, имеющего быстродействие, сопоставимое со скалярными методами, а качество восстановленных изображений, сопоставимое с векторными.
Ключевые слова
цифровая голография, сжатие изображений, векторное квантование, скалярное квантование
Цели и задачи
Анализ, разработка и реализация метода сжатия цифровых голограмм, обеспечивающего хорошее качество восстановления объемных сцен для увеличения скорости передачи информации о 3D-сценах и снижения объёмов архивной памяти, необходимой для её хранения, в медико-биологических приложениях и системах наблюдения.
Введение

В настоящее время цифровая голография является популярным инструментом для исследований и практических применений в различных областях науки и техники. В отличие от фотографии, голография позволяет регистрировать информацию не только о «плоских» объектах, но и об объёмных сценах. Развитие характеристик цифровых камер привело к тому, что размеры файлов голограмм составляют десятки мегабайт. Для хранения и передачи голографического видео необходимы большие объёмы носителей информации, так как 10 мин видео будет иметь размер более 1 терабайта. Для повышения скорости передачи голограмм и снижения объёмов архивной памяти, требуемой для их хранения, можно проводить сжатие голограмм.

 

Методы и материалы

В настоящее время предлагаются следующие методы сжатия голограмм: основанные на стандартах изображений и видео (JPEG, MPEG-4 и др.), скалярные (неравномерное логарифмическое сжатие и др.) и векторные (основанные на обучении системы, например, метод динамических ядер). Первая группа основана на статистических параметрах изображений и особенностях визуального восприятия человеком. Однако в случае голограмм эти методы значительно менее пригодны, так как обычные снимки направлены на регистрацию амплитуды волны, а голограммы направлены в большей степени на сохранение фазы. Помимо этого, при сжатии голограмм наиболее важным является качество именно восстановленных изображений, а не визуальное восприятие сжатой голограммы. Можно использовать сжатие без потерь, однако файлы голограмм уменьшаются обычно лишь до 2 раз. Скалярные методы сжатия голограмм имеют наиболее высокое быстродействие, но низкое качество восстановления, а векторные – наиболее низкое быстродействие и высокое качество восстановленных изображений.

В работе предлагается разработка нового комбинированного метода сжатия цифровых голограмм, имеющего быстродействие, сопоставимое со скалярными методами, а качество восстановленных изображений, сопоставимое с векторными. Так как наиболее критичным является скорость сжатия, то за основу метода принят подход, характерный для скалярных методов. Оптимизация параметров метода выполняется на основе анализа векторных методов и их применения к группам голограмм.

Описание и обсуждение результатов

 Для повышения скорости передачи голограмм и снижения объёмов архивной памяти, требуемой для их хранения, можно проводить сжатие голограмм. Данная задача актуальна для: 1) систем 3D-наблюдения (охранные системы; регистрация объектов, в том числе океанической флоры и фауны; восстановление объёмных сцен удаленно, в том числе регистрируемых в агрессивных средах); 2) медицинских применений (томография, наблюдение за состоянием органов человека); 3) интерферометрии; 4) микроскопии (отслеживание микрообъектов, эритроцитов, планктона; анализ клеток); 5) метрологии.

В настоящее время предлагаются следующие методы сжатия голограмм: основанные на стандартах изображений и видео (JPEG, MPEG-4 и др.), скалярные (неравномерное логарифмическое сжатие и др.) и векторные (основанные на обучении системы, например, метод динамических ядер).

Основные этапы работы:

 

  1. Реализованы наиболее распространенные методы сжатия цифровых голограмм.
  2. Предложен и реализован метод сжатия голограмм путём кластеризации по одинаковому количеству пикселей, являющийся оптимальным с точки зрения качества восстановления, дифракционной эффективности и вычислительной ресурсоёмкости.
  3. Проведено численное и экспериментальное сравнение реализованных методов сжатия цифровых голограмм по качеству восстановления, дифракционной эффективности и вычислительной ресурсоёмкости. Разработанный метод кластеризации по одинаковому количеству пикселей продемонстрировал наилучшие результаты по совокупности данных критериев.

Таким образом на основе анализа наиболее распространенных методов сжатия цифровых голограмм предложен и реализован новый метод сжатия голограмм, обеспечивающий одновременно и высокую скорость , и высокое качество обработки изображений, в то времякак существующие методы обеспечивают либо высокую скорость обработки при низком качестве, либо высокое качество при низкой скорости обработки.

Используемые источники
1. Monroy-Ramirez F. Monitoring micro-mechanical changes in electronic circuit boards with digital holographic interferometry
2. Molder A. Non-invasive, label-free cell counting and quantitative analysis of adherent cells using digital holography
3. Bianco V. Clear microfluidics imaging through flowing blood by digital holography
4. Locatelli M., Pugliese E., Paturzo M. Imaging live humans through smoke and flames using far-infrared digital holography
5. Watson J., Burns N.M. Subsea Optics and Imaging.
6. Schnars U., et al. Digital Holography and Wavefront Sensing.
7. Naydenova I. Advanced Holography
8. Kurbatova E.A., Cheremkhin P.A., Evtikhiev N.N., Krasnov V.V., Starikov S.N. Methods of Compression of Digital Holograms
9. Bruylants T., Blinder D., Ottevaere H., Munteanu A., Schelkens P. Microscopic off-axis hol-ographic image compression with JPEG 2000
Information about the project
Surname Name
Kurbatova Ekaterina Alekseevna
Project title
COMPRESSION OF DIGITAL HOLOGRAMS FOR MEDICAL AND BIOLOGICAL APPLICATIONS AND SYSTEMS OF THREE-DIMENSIONAL SUPERVISION
Summary of the project
Digital holography allows to reconstruct information on 3D-scenes, including for medical, information and biological tasks, and also in case of videoregistration of surveillance systems. For decrease in computing resource intensity and reducing of archival memory size required to store information about 3D-scenes methods of digital hologram compression are used. The method of compression of holograms which has the computing resource intensity comparable to scalar methods, and the quality of reconstructed images comparable to vector methods is offered and developed.
Keywords
digital holography, image compression, scalar quantization, vector quantization