مقدمه :
آنژیوگرافی حوزه عمده پردازش تصویر دیجیتال است ککه مکان کاهش تصویر برای بهبود رگهای خونی مورد مطالعه بکار می رود.البته بهترین استفاده از اشعه های x در تصویربرداری پزشکی توموگرافی کامپیوتری محوری می باشد به دلیل رزولوشن(کیفیت) و قابلیت و ظرفیت های سه بعدی آنها اسکنهای CTA پزشکی را از لحظه ای که برای اولین بار در دهه هفتاد (1979) بوجودآمدند دچار تغییر اساسی نمود. همانطور که در بخش 1.2 به آن اشاره گردید هر تصویر CAT یک برش عمودی از بیمار می باشد برشهای متعددی تهیه می شوند همینطور که بیمار در جهت طولی حرکت داده می شود مجموعه چنین تصاویری یک نمای سه بعدی از بدن بیمار را بوجودمی آورد.
رزولوشن عمودی با تعداد تصاویر برشی گرفته شده تناسب دارد شکل 1.7(C) یک تصویر برشی CAT از سر را نشان می دهد.
تکنیکهای مشابه با تکنیکی که هم اکنون در مورد آن بحث گرددید ولی کلاَ شامل اشعه های x برد مدار الکتریکی را نشان می دهد. چنین تصاویری نشاندهنده صدها کاربرد صنتی اشعه های x هستند و مدارهای شکسته شده اسکنهای صنعتی CAT زمانی بعید هستند که اجزاء توسط اشعه قابل نفوذ باشند. از قبیل مجموعه های پلاستیکی و حتی بدنه های بزرگ مثل موتورهای نیرومحرکه را کت جامد شکل 1.7(e) یک مثال از تصویربرداری اشعه x در ستاره شناسی را نشان می دهد. این تصویر حلقه سیکنوس شکل 16.(c ) می باشد ولی اینبار با باند اشعه x تصویربرداری شده است.
“تصویربرداری در باند ماوراء بنفش”
کاربردهای نور ماوراءبنفش گوناگون هستند و شامل حکاکی بروری سنگ( لیتوگرافی)، بازرسی صنعتی، میکروسکوپی، لیزرها، تصویربرداری زیست شناسی و مشاهدات نجوم شناسی می شود. ما تصویربرداری ماوراءبنفش را با مثالهایی از میکروسکوپی و نجوم شناسی بیان می کنیم.
نور ماوراء بنفش در میکروسکوپی فلورسنس کاربرد دارد که یکی از حوزه های میکروسکوپی با شدیدترین سرعت رشد می باشد. فلورسنس موضوعی است که در اواسط قرن نوزدهم کشف گردید.
وقتی برای اولین بار مشاهده گردید که فلورسپار معدنی با نور ماوراءبنفش شفاف و شتابان است روی آن بحث گردید. نور ماوراءبنفش بخودی خود قابل رویت نیست ولی زمانی که یک فوتون از تشعشع ماوراءبنفش با یک الکترون در یک اتم ماده فلورسنت برخورد می کند الکترون را به سطح انرژی بالاتری انتقال می دهد. متعاقباً الکترون برانگیخته شده به سطح انرژی پائین تر بازمی گردد نوری را به فرم فوتون که انرژی در محدوده نور مرئی( قرمز) از خود ساتع می کند. کار اساسی و پایه میکروسکوپ فلورسنت استفاده از یک نور حاصل از برانگیزش برای نورتاباندن به یک نمونه آماده شده و سپس تفکیک کردن تشعشع نور فلورسنت ضعیف تر از نور حاصل از برانگیزش روشنتر می بادش.
از اینرو فقط نور انتشاری به چشم با ردیاب( حسگر) می رسد. مناطق فلروسانت
( درخشان) حاصله در یک زمینه تاریک یا اختلاف رینگ کافی برای امکان انجام بازرسی میدرخشند. هرچه زمینه ماده غیرفلورسانت تیره تر باشد وسیله( تجهیزات) موثرتر خواهند بود.
میکروسکوپی فلورسنت روش هایی برای مطالعه موادی می باشد که قابلیت تبدیل به فلورسنت
( فلورسنت شدن) را دارند چه در فرم طبیعی آنها فلورسانت اولیه و یا پس ا زعملیا شیمیایی فلورسنت سازی( فلورسانت ثانویه) شکل (b),1.8(a) نشاندهنده یک قابلیت میکروسکوپی فلورسنتی می باشد.
شکل 1.8(a) یک تصویر میکروسکوپی فلورسنت از دانه ذرت معمولی می باشد و شکل1.8(b) نشاندهنده یک دانه ذرت متاثر از” اسمات smut ” یک بیماری گیاهی می باشد غلات، علفها، پیازها، و ذرتهای خوشه ای که می توانند دچار یکی از 700 گونه غذا در جهان شوند. انگل ذرت خصوصاَ مضر می باشد زیرا ذرت یکی از منابع اصلی غذا در جهان است. همانند نمایش دیگر شکل 1.8(c) نشاندهنده یک تصویر حلقه سکینوس در محدوده انرژی بالای ماوراءبنفش می باشد.
تصویربرداری در باندهای مرئی و مادون قرمز
بادر نظرگرفتن اینکه باند مرئی طیف الکترومغناطیس در تمام فعالیت ها معروفترین می باشد تعجب آور نیست که تصویربرداری در این باند مهمتر از سایر موارد کاربردی می باشد.
شکل 1.8 مثالی از تصویربرداری ماوراءبنفش
(a) ذرت معمولی (b) ذرت آفت دیده (c) حلقه سکینوسی
( تصاویر بدست آمده از (b),(a) دکتر مایکل.w. دیویدسون دانشگاه ملی فلوریداnosa: (c) )
باند مادون قرمز اغلب برای تصویربرداری مرئی بکار می رود بنابراین ما باندهای مرئی و مادون قرمز رادر این بخش و بمنظور آزمایش و شرح دادن دسته بندی کرده ایم. ما در بحث بعدی کاربردهای آنها را در میکروسکوپ نوری، نجوم شناسی، دریافت از راه دور، صنعت، و اجرای قانون مدنظر می گیریم. شکل 1.9 مثالهای متعددی از تصاویر بدست آمده با یک میکروسکوپ نوری را نشان می دهد. مثالها از کاربرهای داروئی و بررسی های میکرو تا خواص مواد تنوع دارند حتی فقط رد مورد میکروسکوپی، کاربردها چنان متعدد هستند که نمی توان تمام انها را در اینجا با جزئیات بیان نمود.
تصورکردن انواع فرآیندهایی که یک نفر ممکن است در این مورد تصاویر بکار ببرد مشکل نیست که از بهبوددادن تصاویر گرفته تا مقیاس گذاری های تصویری.
شکل 1.9 مثالهایی از تصاویر میکروسکوپی نوری
(a) تاکسون (Taxon)( عامل ضدسرطان)، 250 بار بزرگنمائی شده(250% )
(b) کلسترون x40
(c) میکروپردازنده 60%
(d) فیلم نازک اکسید نیکل x600
(e) فوق هادی آلی x450
( تصاویر از عنایات دکتر مایکل w دیویدسون. دانشگاه ملی فلوریدا)
جدول 1.1 باندهای موضوعی در ماهواره LANDSAT ناسا.
خواص و کاربردها
طول موج
نام
شماره باند
حداکثر نفوذ در آب
52/0-45/0
آبی مرئی
1
مناسب برای اندازه گیربی انرژی گیاهی
65/0-52/0
سبز مرئی
2
تشخیص گیاه شناسانه
69/0-64/0
قرمز مرئی
3
نقشه برداری( نگاشت) زیستی و Shore line
90/0-76/0
تقریباَ مادون قرمز
4
محتوای رطوبت خاک و گیاهان
75/1-55/1
مادون قرمز متوسط
5
رطوبت خاک، نفشه برداری(ثبت) حرارتی
5/12-4/15
مادون قرمز دمائی
6
نقشه برداری( ثبت)معدنی
35/2-08/2
مادون قرمز متوسط
7
حوزه عمده دیگر پردازش بصری( مرئی) دریافت از را ه دوراست که معمولاَ شامل باندهای بسیاری درمناطق مرئی و مادون قرمز طیف می شود.
جدول 1..1 باندهای موضوعی معروف در ماهواره LAND SAT ناسا را نشان می دهد. کاربرد اولیهLANDSAT بدست آوردن و انتقال تصاویر زمین از فضا بمنظور نمایش شرایط محیطی روی سیاره می باشد باندها براساس طول موج بیان می شوند و یک میکرومتر برابر می باشد( مناطق طول موج طیف الکترومغناطیس را به صورت دقیق در فصل 2 بحث خواهیم کرد.) به خواص و کاربردهای هر باند توجه کنید.
بمنظور توسعه دادن یک کاربرد باید برای قدرت اینگونه تصویربرداری چندطیفی شکل 1.10 رادر نظر بگیرید که یک تصویر برای هرکدام از باندهای طیفی در جدول 1.1 نشان می دهد. شکل 1.10 تصاویر ماهواره LANDST از محدوده واشینگتون D.C اعداد مربوط به باندهای موضوعی در جدول 1.1 می شوند( تصاویر از عنایات ناسا)
شکل 1.11 تصویر چند طیفی گردباد اندرو (Andrew) گرفته شده توسط سنسورهای NOAA GEOS (ماهواره عملیاتی محیطی ایستا( ساکن)). ( این تصویر از عنایات NOAA است.)
منطقه تصویربرداری شده واشینگتون DC می باشد که شامل مواردی از قبیل ساختمان ها، جاده ها، مناطق سبز و رودخانه بزرگ( پوتوماک Potomac ) عبوری از میان شهر می باشد. تصاویر مرکز تراکم جمعیت معمولاَ برای تشخیص رشد جمعیت و الگوهای مهاجرتی، تراکم جمعیت، و فاکتورهای دیگر مضر محیطی می باشند. تفاوت خواص بین تصویر مرئی و مادون قرمز در این تصاویر بوضوح قابل مشاهده هستند. برای مثال، ببینید که چگونه رودخانه را از طرف آن درباندهای 5و 4 تفکیک می کند.
تشخیص وضعیت آب وهوا و نیز پیش بینی آب وهوا نیز کاربردهای عمده تصاویر چندطیفی گرفته شده توسط ماهواره می باشند. برای مثال شکل 1..11 یک تصویر از گردباد می باشد که توسط ماهواره اداره کل هواشناسی و اقیانوس شناسی ملی(NOAA) و با استفاده از حسگرهای باندهای مرئی و مادون قرمز تهیه شده است. مرگز گردباد در این تصویر بوضوح قابل رویت است. شکلهای 1.13,1.12 یک کاربرد از تصویربرداری مادون قرمز را نشان می دهند این تصاویر جدای از سری اطلاعات “نورهای شب هنگام دنیا” می باشند که فهرستی از مسکنهای انسانها تهیه می کند. تصاویر توسط سیستم تصویربرداری مادون قرمز نصبت شده برروی یک ماهواره NOAA DSMP(برنامه ماهواره ای هواشناسی دفاعی) تهیه شده اند.
سیستم تصویربرداری مادون قرمز در باندهای 10.0 تا 13.4 عمل می کند و دارای قابلیت منحصر به فرد برای مشاهده منابع کم نور از تشعشعات نزدیک به مادون قرمز مردی موجود روی سطح زمین می باشد از قبیل شهرها، شهرکها روستاها، شعله های گازی و آتش ها حتی بدون آموزش رسمی در پردازش تصویر، تصور نوشتن یک برنامه کامپیوتری که می تواند از این تصاویر برای تخمین زدن وجود انرژی الکترییکی کلی مورد استفاده با مناطق گوناگون دنیا مشکل نمی باشد.
شکل 1.12 تصویر ماهواره ای مادون قرمز از امریکا، نقشه کوچک خاکستری بعنوان مرجع تهیه شده است.( تصویر از NOAA )
بخش عمده ای از تصویربرداری در طیف مرئی در بازرسی مرئی اتوماتیک از کالاهای تولیدشده می بادش. شکل 1.14 چندمثال را نشان می دهد. شکل 1.14(a) یک مورد کنترل کننده برای یک رادیو CD-ROM می باشد. یک کارپردازش تصویر نوعی در مورد محصولات از این قبیل، بررسی آنها برای مشاهده کردن قسمتهای گم شده می باشد( مربع مشکی در قسمت یکچهارم بالایی و قسمت راست تصویر یک مثال در مورد یک مولفه گم شده می باشد) شکل 1.14(b) یک ظرف نگهدارنده کپسول( قرص) می باشد. در اینجا هدف داشتن یک نگاه ماشینی برای تعیین جای خالی قرصها می باشد. شکل 1.14(c) یک کاربرد را نشان می دهد که در آن پردازش تصویر برای جستجوی بطریهائی می باشد که تا حد معینی پرنشده اند.
شکل 1.14(b) یک قسمت پلاستیکی واضح با یک تعداد غیرقابل قبولی از حفره های هوائی در آن را نشان می دهد پیداکردن آناتومی هائی از این قبیل، موضوعی عمده در بازرسی صنعتی می باشد که محصولات دیگری مثل چوب، و پارچه را نیز شامل می شود. شکل 1.14.(e) یک دسته از غلات را حین بازرسی برای رنگ و وجود مواردی از قبیل تکه ها و لایه های سوخته نشان می دهد و نهایتاَ شکل 1.14(f) یک تصویر از یک شیئی کاشتی درون چشمی را نشان می دهد( لنز جایگزین برای چشم انسان) یک تکنیک روشن سازی” نور مسافت یافته” برای هایلایت کردن جهت بررسی راحت تر تغییر شکلهای لنز تخت در جهت مرکز لنز استفاده شده بود.
علامتهای موجود در جهت 60و 60- در جه( در راستای ساعت 1 و ساعت 5 ) آسیب هی انبرک جراحی می باشند جزئیات اکثر نقاط کوچک دیگر ریز و کوچک می باشند. در این نوع بررسی هدف پیداکردن اجاسم کاشتنی غلط تولیدشده و یا آسیب دیده به صورت اتوماتیک و قبل از بسته بندی می باشد.
بعنوان نمایضش نهائی پردازش تصویر در یک طیف مرئی شکل 1.15 را در نظر بگیرید شکل 1.15(a) یک اثر انگشت را نشان می دهد تصاویر اثر انگشت ها معمولاَ با کامپیوتر پردازش می شوند برای بهبود دادن آنها و یا برای یافتن مواردی که در جستجوی اتوماتیک برای منابع اطلاعاتی موارد مربوطه کمک می کنند. شکل 1.15(b) یک تصویر از یک اسکناس را نشان می دهد.کاربردهای پردازش تصویر دیجیتال در این محدوده شامل شمارش اتوماتیک و در اجرای قانون، خواندن شماره سریال بمنظور پیگرد اسکناس می باشد.
دو تصویر از اتومبیل نشان داده شده در شکلهای 1.15(C),(d) مثالهائی از خواندن شماره پلاک اتوماتیک می باشند.
شکل 1.14 چندمثال در مورد کالاهای تولیدی که اغلب توسط پردازش تصویر دیجیتال چک می شوند:
(a) : یک کنترل کننده مداری
(b) :کپسولهای بسته بندی شده
(c) :بطریها
(d) :حبابهای موجود در محصول با پلاستیک شفاف
(e) :غله
(f) :تصویری از یک کاشتنی درون چشمی
( تصویر f از آقای Pete Sites )
مستطیل های نوری را نشاندهنده محدوده ای هستند که در آن سیستم تصویربرداری صحنه را شناسایی کرد. مستطیل های مشکی نشاندهنده نتایج خواندن اتوماتیک محتویات صفحه با این سیستم می باشند صفحه های مجوزی وسایر کاربردهای تشخیص هویت بطور وسیعی برای نمایش رفت وآمد و نظارت و مراقبت بکار می روند.
“تصویربرداری در باند ماکروویو( موج ماکرو)”
کاربرد اصلی تصویربرداری در باند موج ماکرو، رادار می باشد. خصوصیت ویژه و منحصربفرد رادار تصویربرداری، قابلیت آن در جمع آوری اطلاعات بصور ت واقعی در هر محدوده و در هر زمانی می باشد، بدون توجه به شرایط آب وهوائی و یا محیطی.
شکل 1.15 برخی مثالهای دیگر در مورد عکسبرداری در محدوده طیف مرئی
(a) اثرانگشت (b) اسکناس (d),(c) خواندن شماره پلاک اتومبیل
( تصاویر بدست آمده از: (a) موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی، (d),(c): دکتر Juan Herrera )
برخی موجهای رادار از ابرها عبور می کنندو تحت برخی شرایط از میان گیاهان، یخ، خاک شدیداًَ خشک عبور کرده و ببینند. در بسیاری از حالتهای رادار تنها راه بررسی مناطق خارج از دسترس سطح زمین می باشد. یک رادار تصویربرداری مثل یک دوربین فلش دار می باشد که روشن سازی خود را(پالسهای موج ماکرو) برای روشن کردن محدوده ای روی زمین و گرفتن یک عکس لحظه ای بکار می رود. بجای یک لنز دوربین رادار از یک آنتن و پردازشگر با کامپیوتر دیجیتال را برای ضبط کردن تصاویرش بکار می برد. در یک تصویر راداری فقط می توان انرژی موج ماکرو را مشاهده کرد که به آنتن رادار منعککس شده است.
شکل 1.16 یک تصویر رادار هوائی را نشان می دهد که یک محدوده ناهموار کوهستانی جنوب تایبت(Tibet) را نشان می ده که در حدود 90 کیلومتری شرق شهر لهاسا (Lhasa) قرار دارد در گوشه سمت راست و پائین یک گودی عریض مربوط به رود لهاسا مشاهده می شود که توسط کشاورزان تایبت و چوبانان یاک(yak) بوجود آمده است و شامل روستای منبا(Menba) می شود. کوههای این منطقه به ارتفاع حدود m 5800 (ft 000/19) بالاتر از سطح دریا می رسند در حالیکه سطح قسمت گود( عمیق) در ارتفاع 4300 متری(ft 000/14 ) بالاتر از سطح دریا قرار دار د. بوضوح و جزئیات تصویر توجه کنید که ابرها و سایر شرایط جوی که معمولاَ در تصاویر باند مرئی دخالت می کنند هیچ تاثیری ندارند.
شکل 1.16 تصویر رادار هوائی کوههای جنوب شرقی تایبت( تصویر از NASA )
“تصویربرداری در یاند رادیوئی”
مشابه حالت تصویربرداری در انتهای دیگر طیف( اشعه های گاما) کاربردهای عمده تصویربرداری در باند رادیوئی، در پزشکی، و نجوم شناسی، می باشد. در پزشکی، امواج رادیوئی، در تصویربرداری رزونانس مغناطیس(MRI ) استفاده می شود در این تکنیک بیمار را درون یک مغناطیس قوی قرار می دهند و امواج رادیوئی را از بدن او و در پالسهای کوتاه عبور می دهند. هر پالس، یک پالس از امواج رادیوئی عکس العملی را بوجود می آورد که توسط بافتهای بیمار انعکاس داده می شود.موقعیتی که این سیگنال ها از آن بوجود می آیند و نیز قدرت آنها توسط کامپیوتر تعیین می گردد یک تصویر دوبعدی از قسمتی از بیمار بوجود می آورد. MRI می تواند تصاویری در هر صفحه ای بوجود آورد.
شکل 1.17 تصاویر MRI از زانو و ستون فقرات انسان را نشان می دهد.
آخرین تصویر سمت راست در شکل 1.18 یک تصویر از تحریک پالسی در باند رادیوئی را نشان می دهد همچنین برای نمایش مقایسه ای جالی تصاویری از همان منطقه ولی تهیه شده توسط باندهای دیگری که قبلاَ بحث گردید وجود دارد توجه کنید که هرتصویر یک نمای کاملاَ متفاوت از تحریک عصبی را نشان می دهد.
” مثالهائی که در آنها کیفیتهای تصویربرداری دیگری بکار رفته اند”
هرچند تصویربرداری در طیف الکترومغناطیس بسیار مهم می باشد کیفیت های دیگر عکس برداری نیز وجود دارد که مهم می باشند.خصوصاَ ما در این بخض در مورد تصویربرداری صوتی، میکروسکوپی الکترونی و تصویربرداری ترکیبی( تولیدشده با کامپیوتر) بحث می کنیم.
تصویربرداری با استفاده از صوت دراکتشافات و بررسیهای زمین شناسی، صنعتد، و پزشکی کاربرد دارد. کاربرد زمین شنای از صدا در انتهای کوتاه طیف صوتی( صدها هرتز) استفاده می کنند. مهمترین کاربردهای تجارتی تصویربرداری در زمین شناسی در بازرسی های نفتی و معدنی هستند. برای استفاده از تصویر روی سطح زمین یکی از روشهای اصلی استفاده از یک کامیون بزرگ و یک صفحه استیل همواره بزرگ می باشد. ورق توسط کامیون روی سطح زمین فشرده می شود و سپس کامیون توسط یک طیف فرکانسی تا 100 هرتز به لرزش و نوسان درمی آید.
شکل 1.17 تصاویر MRI از(a) زانو و (b) ستون فقرات انسان.
( تصویر a از دکتر Thomas .R.Grest بخش عمل آناتومی دانشگاه میشیگان دانشکده پزشکی و (b) از دکتر David.R.Pickens مرکز رادیولوژی و علوم رادیولوژی دانشگاه وندربیلت مرکز پزشکی)
قدرت و سرعت امواج صوتی بازگشتی با ترکیب زمین زیر سطح تعیین می شوند این امواج توسط کامپیوتر آنالیز می شوند و تصاویر از این آنالیزها بوجود می آیند.
برای استفاده ردیابی منبع انرژی متشکل از دو تفنگ بادی towed شده مقابل یک کشتی می باشد امواج صوتی بازگشتی توسط هیدروفون های نصب شده در کابلهای کشیده شده در پشت کشتی پهن شده روی کف اقیانوس و یا از کشید ه شده از جسم شناور( کابلهای عمودی) تشخیص داده می شوند. دو تفنگ بادی متناوباَ تا حدود 2000 psi تحت فشار قرار داده می شوند و سپس خاموش می شوند. حرکت پیوسته و ثابت کشتی یک جهت متقاطع از حرکت را بوجود می آورد که همراه با امواج صوتی بازگشتی، برای بوجود آوردن یک نقشه سه بعدی(3D ) از ترکیب زمین زیر سطح اقیانوس بکار می روند.
شکل 1.19 ) یک سطح مقطع از یک مدل سه بعدی معروف را نشان می دهد که در مقابل آن کارآئی الگوریتم های تصویربرداری زمین لرزه تست می شود.
انحنانهای مربوط به یک دام هیدروکربن( نفت/گاز) می باشد. این هدف روشنتر از لایه های مجاور می باشد به دلیل این که تغییر دانستیه در منطقه هدف بزرگتر و بیشتر می باشد.