08-01-97013-р_поволжье_а

Методы и алгоритмы цифрового спектрального анализа последовательности изображений и дискретных временных рядов в приложении к задачам медицинской физики и физики космоса

 

 

 

Отчет за 2010 год

Задачи этапа 2010 года

1) Разработка комплекса алгоритмов и их программной реализации многомерной авторегрессии для изображений и их последовательностей.
2) Создание второй части программного комплекса многомерной спектральной обработки последовательности изображений Солнца и планет, основанного на многомерной авторегрессии.
3) Разработка алгоритмов и комплекса программ спектрального анализа на основе данных от антенной решетки с узлами, имеющими постоянные относительные скорости движения друг относительно друга.
4) Разработка теоретических основ построения спектральной плотности для антенной решетки переменной конфигурации с известным динамическим законом движения узлов.
5) Разработка алгоритмов и программ выявления изменений на последовательности томограмм.
6) Разработка интерфейса для задач волновой динамики в атмосфере Солнца и планет в рамках космофизического практикума.
7) Продолжение разработки теоретических основ метода построения оценок параметров нелинейных моделей на основе методов обобщенных подстановок Коула-Хопфа и вторичного максимума энтропии

 

Результаты этапа 2010 года

1) Разработана первая завершенная версия комплекса программ SolarWaves, объединенных в общей интерактивной оболочке управления ходом вычисления и выводом результатов обработки на экран. Комплекс включает:
• Комплект алгоритмов и программ первичной обработки изображений, обеспечивающий:
- ввод серий изображений и их визуализацию для предварительного просмотра;
- интерполяцию значений интенсивности пикселей изображения в регулярную по времени сетку;
- пространственную фильтрацию изображений для устранения эффектов элайзинга и выбора нужного диапазона частот вычисления спектральной матрицы.
• Комплект алгоритмов и программ выбора антенной решетки на изображении Солнца, обеспечивающий:
- выбор формы антенной решетки;
- ее пространственную привязку по месту положения;
- масштабирование размеров к реальным размерам Солнца;
- выбор региона сканирования при пакетной обработке серий изображений;
- задание режимов и параметров пакетной обработки.
• Комплект алгоритмов и программ вычисления спектральной матрицы и визуализации ее компонент. Комплект обеспечивает:
- выбор параметров спектрального диапазона вычисления спектральной матрицы;
- вычисление матричной одномерной модели авторегресии созданного набора данных для выбранной антенной решетки;
- вычисления спектральной матрицы во всем диапазоне частот с помощью метода максимальной энтропии;
- визуализацию всех компонент спектральной матрицы как функций частоты (автоспектры, когерентности и фазы);
- автоматическое вычисление списка высококогерентных пиков, отвечающих локальным максимумам автоспектров.
• Комплект алгоритмов программ вычисления пространственно-временных спектров. Комплект обеспечивает:
- вычисление спектральной плотности процессов, как функций частоты и волновых чисел в различных системах координат в спектральной области (декартова, полярная, сферическая);
- выбор и пересчет координатных плоскостей, в которых задается пространственно-временной спектр;
- вычисление интегральных спектров по различным координатам и построение меридианальных, зональных, модульных и угловых спектров распространения волн;
- вычисление дисперсионных кривых волн во всем диапазоне частот по максимумам спектральной плотности и интегральных спектров с их визуализацией и выводом в отдельный файл;
- визуализация спектральной плотности и интегральных спектров.
• Комплект алгоритмов и программ поддержки пакетной обработки серий изображений по заданному региону изображений. Комплект обеспечивает:
- визуализацию результатов вычислений пакетной обработки с возможностью выбора параметров агрегирования результатов по признакам, задаваемым пользователем;
- сбор статистической информации по всему массиву результатов с возможностью выбора параметров агрегирования результатов;
- визуализацию результатов сбора статистической информации в форме различных гистограмм, диаграмм направленности и графиков;
- создание подробного отчета о ходе вычислений, выбранных параметрах обработки и промежуточных контрольных результатов вычислений, что позволяет контролировать ход вычислений;
- просмотр результатов с помощью отдельного модуля, не включенного непосредственно в оболочку;
Результаты докладывались на конференции. Статья направлена в печать.

2) Проведена предварительная выборочная обработка магнитограмм с аппарата SOHO за период 1997-2003 год. Получены
- данные о распределении энергии по периодам в диапазоне
- от 3 часов и до 1 месяца и ее изменчивости со временем;
- данные о распределении энергии волн по гелиошироте для отдельных волновых компонент в диапазоне периодов T> 3 часов и ее изменчивости со временем;
- данные о форме дисперсионных кривых зональных и меридианальных компонент волн и их изменчивости со временем в диапазоне периодов
- от 3 часов и до 1 месяца;
- данные о распределении направления распространения волн и ее изменчивости со временем для отдельных компонент и в форме угловых спектров;
Результаты докладывались на конференции. Статья направлена в печать.

3) Отработана методика выполнения работ в задачах нового раздела космофизического практикума для студентов "Волновые процессы в атмосферах Солнца и планет". Результаты докладывались на конференции.
4) Создан макет комплекса алгоритмов и программ вычисления спектральной плотности по данным от спутниковых кластеров (антен переменной конфигурации). Проведено тестирование отдельных элементов комплекса и программной оболочки. Создан комплект программ вычислительной алгебры матриц большой размерности порядка 1000x1000 и больше, включенный в общую систему обработки данных и позволяющий проводить вычисления собственные чисел и векторов матриц такой размерности. Метод вычисления спектров на основе данных от таких антенных решеток опубликован в журнале (Журавлев В.М., Фундаев С.В. 2009).
5) Разработан комплекс алгоритмов и программ автоматической обработки изображений с целью вычисления положения областей изменений в тканях головного мозга человека на основе сравнительного анализа двух и более томограмм, полученных через определенный промежуток времени. Комплекс включает разработанные на предыдущих этапах алгоритмы и программы вычисления относительных поворотов томограмм. Выработаны математические основы трехмерной реконструкции поворотов томограмм для точного вычисления положения элементов изображений. Проведено частичное тестирование на реальных томограммах пациентов, полученных на спиральном рентгеновском томографе. (Результаты докладывались на конференции. Готовится публикация.)
6) Разработан новый алгоритм вычисления огибающей случайного процесса по вэйвлет-образу сигнала. Построена теория новой интерпретации вэйвлет-образов сигналов. Метод применен к анализу долгопериодической изменчивости солнечной активности на основе рядов групп пятен и чисел Вольфа (Материалы докладывались на конференции и направлены в печать).
7) Проведен анализ долгопериодической изменчивости солнечной активности на основе рядов групп пятен и чисел Вольфа на интервалах времени от 1650 до 2010 года. Разработан новый метод вычисления вероятностей возникновения пятен в “активном” и “пассивном” процессах. Вычислена изменчивость вероятности появления активных процессов и обнаружены новые общие закономерности в ее долговременной эволюции (Результаты опубликованы Журавлев В.М., Летуновский С.В., 2010).
8). Проведены работы по развитию метода Коула-Хопфа в применении к задачам обработки данных и гидродинамики сжимаемой жидкости. Разработан комплекс программ для проведения модельных и тестовых расчетов нелинейного анализа на основе подстановок Коула-Хопфа для двумерных эмпирических рядов. (Результаты частично опубликованы в работах Журавлев В.М., Зиновьев Д.А. 2010).
9) Проведены работы по применению метода максимальной энтропии в задачах стохастической динамики дискретных и непрерывных динамических систем. Получены новые результаты в теории стохастической устойчивости систем типа Вольтерра-Лотка и в применении к задачам турбулентности..(Результаты частично опубликованы и частично направлены в печать. Журавлев В.М., Миронов П.П., Шляпин В.А., Корнилов Д.А. 2010 г.)
10) Созданы "Космофизические практикумы" для магистрантов, студентов и школьников. В практикумах используется современная спутниковая информация для решения учебных и научно-исследовательских задач.акет

Комплекс программ SolarWaves

В 2010 году была завершена разработка первой полностью функциональной версии комплекса программ SolarWaves для исследования волновых процессов на Солнце. Эта версия предназначена для исследования волн на основе серий изображений магнитограмм Солнца и изоюражений в видимом диапазоне. Это позволило провести обработку данных за несколько лет используя ряды данных от месяца до нескольких месяцев, полученные с аппарата SOHO. Эта обработка дала возможность оценить возможности комплекса и выяснить основные характеристики волн различной направленности на Солнце. Это позволит в дальнейшем более четко планировать исследования.  В частности, это позволило наметить пути развития комплекса программ путем включения в него дополнительных компонент компонент, позволяющих без особых измнений проводить исследования волн на Солнце  на основе иображения в других спектральных диапазонах, в частности, ETI. Эти компоненты должны касаться дополнительных возможностей автоматического вычисления реального диаметра солнечного лимба на изображениях с целью приведения масштабов волн гна изображениях к реальным масштабам Солнца. Эти же комрненты позволят применять эту же технику и для исследования волн в атмосфере Земли, получаемых с геостационарных спутников. 

Тестирование

Комплекс програм прошел многоэтапное тестрование. В частности проверялась возможность надежного оценитвания направления прихода волн и их длны гармонических составляющих процесса. Гармонические составляющие иммитировались с помощью встроенного генераторагармонического процесса с белым шумом. Характеристики  белого шума могли изменятся по желанию в зависмости от узла антнной решетки. Это позвляло  моделировать ситуации похожие на реальные процессы.

Автоспекты, когерентности и фазы

 

 

Отчет за 2009 год

Задачи этапа 2009 года

Основными целями очередного этапа являлись следующие:
1) Разработка комплекса алгоритмов и их программной реализации многомерной регрессии для изображений и их последовательностей
2) Создание второй части программного комплекса многомерной спектральной обработки последовательности изображений Солнца и планет, основанного на многомерной регрессии,
3) Разработка алгоритмов и комплекса программ спектрального анализа на основе данных от антенной решетки с узлами, имеющими постоянные относительные скорости движения друг относительно друга.
4) Разработка теоретических основ построения спектральной плотности для антенной решетки переменной конфигурации с известным динамическим законом движения узлов.
5) Разработка алгоритмов и программ выявления изменений на последовательности томограмм.
6) Разработка интерфейса для задач волновой динамики в атмосфере Солнца и планет в рамках космофизического практикума.
7) Продолжение разработки теоретических основ метода построения оценок параметров нелинейных моделей на основе методов обобщенных подстановок Коула-Хопфа и вторичного максимума энтропии

Результаты этапа 2009 года

 1) Создан и прошел предварительное тестирование на модельных тестах комплекс программ многомерной авторегрессионной оценки спектра по изображению. Теоретические основы использования многомерной регрессии для построения нелинейных эмпирических моделей динамики полей опубликованы в работе Журавлев В.М., Журавлев А.В. Нелинейный мир. N10, 2009.
2) Разработана вторая часть комплекса программ многомерной обработки серий изображений Солнца и Земли с целью исследования динамики волновых процессов в их атмосферах. Создан комплекс программ оценивания автоспектров, когерентностей, фаз и спектральной плотности в пространстве волновых чисел. Создан комплекс программ построения и визуализации интегральных спектров по различным компонентам волнового вектора. Разработана система автоматического сканирования заданной области на каждом изображении из серии с помощью позиционирования антенной решетки заданной конфигурации для построения системы оценок и их визуализации спектральной плотности и интегральных спектров. Проведена отладка и тестирование. Сформулированы задачи для следующего этапа разработки комплекса программ. Разработанный комплекс программ под названием "Космотрон" "Научно-образовательный комплекс программ для исследования явлений в атмосфере и магнитосфере Земли и Солнца" был представлен на выставках "Молодежный инновационный форум Поволжского региона"(май, Ульяновск) и НТТМ-2009 (июнь, Москва). Получена медаль на "Молодежном инновационном форуме Поволжского региона" и диплом первой степени на НТТМ-2009 в Москве.
3) Проведены исследования изменчивости волновых полей в магнитосфере Солнца на основе магнитограмм в течение 1997-1998 и 2001 года. На основе реальных магнитограмм построены дисперсионные кривые \$(k_x,f)\$, \$(k_y,f)\$, \$(k,f)\$ волн в магнитосфере Солнца в диапазоне периодов от нескольких часов до нескольких суток.
Предварительно выявлены закономерности изменчивости дисперсионных диаграмм по гелиошироте.
4) На основе разработанного программного комплекса разработан и частично реализован специальный интерфейс для лабораторного практикума "Волновые процессы в атмосферах Солнца и планет".
5) Разработаны алгоритмы и комплекс программ спектрального анализа на основе данных от антенной решетки с узлами, имеющими постоянные скорости движения друг относительно друга. Проведено предварительное тестирование на модельных рядах. Сформулированы задачи для следующего этапа разработки комплекса.
Метод вычисления спектров на основе данных от таких антенных решеток опубликован в журнале (Журавлев В.М., Фундаев С.В.).
6) Разработаны алгоритмы построения оценок спектральной плотности для антенных решеток с произвольным законом движения узлов. Исследованы условия возможности реализации алгоритмов. Сформулированы задачи вычисления достижимой точности оценивания с помощью разработанных алгоритмов.
7) Разработан комплекс программ и алгоритмов обработки томограмм с целью вычисления относительных смещений и поворотов элементов изображения головы пациентов на последовательных снимках. Создан алгоритм и комплекс программ совмещения изображений головы пациентов на последовательных снимках с целью вычисления областей с объективными признаками изменения в тканях. Реализован комплекс программ вычисления относительных не контролируемых сдвигов и поворотов двух и более последовательных томограмм тканей человека. Комплекс программ совмещен с системой визуализации медицинских томограмм и позволяет в настоящее время вычислять и совершать относительные повороты изображений в формате представления плотностей тканей в плоскости томограмм. Разработан алгоритм трехмерных вращений томограмм по проекциям. Алгоритм прошел предварительное тестирование на реальных медицинских томограммах.
Проведено частичное тестирование на реальных томограммах пациентов, полученных на спиральном рентгеновском томографе. Разработанный комплекс программ был представлен на выставках "Молодежный инновационный форум Поволжского региона"(май, Ульяновск) под названием "TomoViewer". Получен диплом на этой выставке.
8). Проведены работы по исследованию точных решений нелинейных моделей гидродинамического типа, связанных с собственными колебаниями звезд. Исследованы конкретные нелинейные модели, найдены физические критерии реализуемости таких решений. Часть результатов по использованию такого подхода для анализа данных опубликована в работе Журавлев В.М., ТМФ, 2009.
9). Разработана новая модель долгопериодических изменений солнечной активности на основе эволюции вероятностного распределения ежемесячных чисел Вольфа. Проведен анализ эволюции модели вероятностного распределения чисел Вольфа. По эмпирическим данным выявлен механизм резкого изменения глобального состояния Солнца во время мощных вспышек. Вычислена кривая эволюции вероятности мощных вспышек на Солнце. Выявлены изменения автоковариационной функции ряда чисел Вольфа после мощных вспышек на Солнце.
10) Проведены теоретические исследования по описанию моделей формирования спектров заряженных частиц в солнечном ветре и СКЛ на основе уравнения Фоккера-Планка. Результат опубликован в работе Журавлев В.М., Летуновский С.В.и др. Изв. Вузов Поволжский регион, 2009.

Исследовательский проект, на осуществление которого получен грант РФФИ является частью проекта "Космотрон". Результаты этого проекта выставлялись на двух выставках: "Молодежный инновационный форум Поволжья -2009" (Ульяновск) и "НТТМ=2009" (Москва). В Ульяновске получены медаль и два диплома, а в Москве диплом первой степени. 

Проект «Космотрон»

     Проект «Космотрон» состоит из нескольких частей, имеющих своей общей целью создание единого комплекса компьютерных программ для анализа рядов данных и изображений от систем слежения за космическим пространством в целях изучения процессов, происходящих как на Земле, так и в космосе. Анализ данных, поступающих от множества датчиков и телескопов, размещенных на тысячах искусственных спутников Земли, необходим для выявления закономерностей в изменениях состояния космической среды, окружающей Землю, включая ее геосферу, гидросферу и атмосферу, а также процессов, происходящих на Солнце. Выявление закономерностей позволяет создавать  всё более полную картину окружающей нас Вселенной и предсказывать события, которые могут существенным образом влиять на жизнедеятельность человека.
Особое внимание в проекте уделяется исследованию различных явлений на Солнце, поскольку они существенным образом сказываются на том, что происходит в магнитосфере Земли, а также на поверхности планеты. Солнце обеспечивает жизнь на Земле постоянным притоком энергии в различных диапазонах электромагнитных волн. Вместе с тем Солнце является источником множества факторов, которые отрицательным образом сказываются как на живых организмах, в том числе на человеке, так и на технологических объектах, созданных человеком. К таким отрицательным факторам относятся радиация, изменения погоды и климата, возмущения в магнитосфере Земли в форме магнитных бурь и некоторые другие факторы. Все эти факторы появляются и исчезают благодаря процессам на Солнце и их взаимодействию с окружающими Землю космическими объектами – ионосферой, магнитосферой, радиационными поясами Земли. Повышение уровня радиации увеличивает риск вредных мутаций в генетическом аппарате живых организмов. Солнечная активность влияет на здоровье летчиков и пассажиров при авиаперевозках, не говоря уже о космонавтах, находящихся на орбите. Она также приводит к деградации ряда приборов, особенно тех, которые установлены на борту космических аппаратов и самолетов. Магнитные бури ведут к серьезным изменениям в характеристиках радиосвязи и влияют на различные приборы магнитной навигации. Мощные бури могут оказывать существенное влияние на работу электрораспределительных сетей, что не раз приводило к сбоям в работе систем целых государств. Многолетняя изменчивость солнечной активности приводит к изменению погоды и климата на Земле. Появление продолжительных засух, или, наоборот, периодов проливных дождей, ураганов и торнадо связано с изменениями в характеристиках солнечной активности. Многие из этих факторов порождены быстропротекающими процессами на Солнце типа вспышек и корональных выбросов. Другие связаны с долговременными изменениями в общей структуре и характере отдельных элементов Солнца. Большинство таких элементов проявляются в различных типах волновых процессов на Солнце, поэтому  изучение волн в атмосфере Солнца, их изменчивости и характеристик является одним из наиболее важных способов   выявления закономерностей в работе этой гигантской тепловой машины, созданной природой. Именно эта задача является одной из центральных задач при реализации проекта.
      Другой центральной задачей является исследование процессов в атмосфере и гидросфере Земли, которые перераспределяют энергию, поступающую от Солнца. Эти процессы также во многом похожи на волновые или являются ими. Поэтому создаваемый комплекс программ спектрального анализа является универсальным инструментом исследования Солнца и Земли. В перспективе такие же процессы можно изучать в атмосферах других планет.   
     Поскольку методы спектрального анализа являются универсальными, то разрабатываемый пакет программ пригоден для анализа рядов наблюдений и изображений, возникающих в качестве данных при слежении за технологическими процессами, В этой связи проект предусматривает при необходимости модифицировать интерфейс программ для проведения исследований специализированных технологических процессов.
     Комплекс исследовательских программ строится на основе собственных оригинальных разработок Лаборатории космических исследований. Среди этих разработок имеются новые оригинальные алгоритмы обработки данных на основе специальных средств агрегирования наборов данных с целью выявления новых их статистических свойств и закономерностей.  Кроме этого, в интерактивную среду включены хорошо опробованные известные и оригинальные методы визуализации и отображения результатов обработки и обнаруженных  при анализе данных закономерностей.
      Второй раздел проекта посвящен разработке специальной системы  подготовки специалистов в области физики космоса и обработки спутниковой информации:

1. Электронный практикум «Космофизика» , предназначенный для студентов и молодых ученых, которые специализируются в  области физики космоса

 2. Космофизический практикум "Спутник - на урок" для школьников среднего и старшего звена, изучающих физику и проявляющих интерес в сферах космонавтики и астрономии.

I. Комплекс программ спектральной обработки изображений

Солнца и Земли SolarWaves 2.2

 

Комплекс программ является частью проекта "Космотрон" и предназаначен для вычисления спектральных характеристик волновых процессов в магнитосфере Солнца и атмосфере Земли на основе серии изображений, которые передаются на Землю с различных космических аппаратов таких, как SOHO, STEREO, GOES, METEOSAT. Комплекс реализован в форме интерактивной системы ввода и обработки данных, а также системы  визуализации полученных результатов. На каждом этапе пользователю предоставляется возможность самостоятельно управлять  процессами ввода и обработки с помощью выбора параметров алгоритмов и программ, управляющих процессом обработки.  Для визуализации используется система графического  отображения спектров и других статистических характеристик процессов в форме графиков, контурных диаграмм и различного рода гистограмм распределения параметров процессов.  Этот комплекс программ постоянно совершенствуется и расширяется с целью включения новых средств обработки и визуализации данных. Реализованная на этапе 2009 года часть программного комплекса иллюстрируется следующими экранными формами:

 

 

 

Рис 1 Вкладка "Начальные установки"

Улучшен интерфейс. Добавлена возможность обработки изображения с нестандартными названиями файлов, задавая свои маски файлов.

 

 

 

 

 

 

 

Рис 2. Вкладка "Сглаживание изображений"

Добавлена возможность сглаживания изображений по пространству (прямоугольным фильтром)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 3. Шаблоны фазовой антенной решетки (ФАР)

Предусмотрены шаблоны ФАР. Пользователь может выбирать текущие шаблоны или создать свои и использовать их

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 4. Вкладка "Выборка данных".
Добавлена фильтрация данных по времени.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 5. Вкладка "Выборка данных".
Добавлена визуализация спектрального окна фильтра.

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Вкладка "Когерентности и фазы"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Вкладка "Автоспектры"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8. Вкладка "Спектры S(kx,ky)" (пик N7, оценка Бартлета)

     Улучшен интерфейс, изменена палитра

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Рис. 9. Вкладка "Спектры S(kx,ky)" (пик N7, оценка Максимального правдоподобия (ММП))

     Улучшен интерфейс, изменена палитра, введена возможность исключения интерференции

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 10. Вкладка "Интегральный спектр S(kx,f)".  (Зональный срез спектра, Оценка Бартлета)

     Новая реализованная возможность пакета

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 11. Вкладка "Интегральный спектр S(kx,f)".  (Зональный срез спектра, Оценка ММП без интерференции)

     Новая реализованная возможность пакета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 12. Вкладка "Интегральный спектр S(ky,f)".  (Мередиональный срез спектра, Оценка Бартлета)

     Новая реализованная возможность пакета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 13. Вкладка "Интегральный спектр S(ky,f)".  (Меридиональный срез спектра, Оценка ММП без интерференции)

     Новая реализованная возможность пакета

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 14. Вкладка "Интегральный спектр S(k,f)".  ( Оценка ММП без интерференции)

     Новая реализованная возможность пакета

 

 

  

 

 

 

 

 

Рис. 15. Вкладка "Автоматическая обработка области изображения"

Форма запроса на сканирование
Автоматизирована обработка изображений с помощью режима сканирования. При вызове режима сканирования появляется форма, в которой настраиваются все необходимые параметры.
Ускорена обработка изображений на 30-40 % с помощью дампирования данных (данные с изображений читаются один раз, сохраняясь в оперативной памяти).

Новая реализованная возможность пакета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 16. Вкладка "Волновое поле в волновых числах"

Результат сканирования области

 

Новая реализованная возможность пакета

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 17. Вкладка "Диаграмма направленности"

Результат сканирования области

 

Новая реализованная возможность пакета

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 18. Вкладка "Диаграмма волновых чисел"

Результат сканирования области

 

Новая реализованная возможность пакета

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 19. Вкладка "Отчет"

Результат сканирования области

 

Новая реализованная возможность пакета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 20. Вкладка "Просмотр результатов сканирования области"
Новая реализованная возможность пакета

 

 

II. Комплекс программ обработки и анализа медицинских томограмм TOMOVIEWER

 

В ходе работ над проектом выяснилось, что кроме вычисления сдвига и поворота для срезов необходимо предварительно синхронизировать все срезы по глубине.

Во-первых,  это необходимо потому, что начальные и конечные точки сканирования отличаются от серии к серии для одного и того же пациента. И во-вторых, существует целый набор исторических данных, подлежащих обработке, которые были получены с более  грубым шагом (6 см), чем тот,  который применяется сейчас (2.25 см).

Для этого с каждой серией томограф сохраняет специальное изображение, называемое "топограммой" (localizer, помечается как отдельный вид изображения в серии ). По стандарту DICOM  это изображение служит для того, чтобы врач мог получить информацию, где был расположен каждый срез в серии.

Соответственно, мы скорректировали работу таким образом, чтобы сначала синхронизировать срезы по глубине. Для этого совместно рассматривалась пара топограмм для анализируемых серий (topogram1).

Был разработан и внедрен алгоритм оконтуривания (edge detection), который позволяет распознавать отдельные элементы на изображении, находящиеся в заданном диапазоне цветов. В основе алгоритма лежит построчный анализ изображения с последующей обработкой связей между найденными областями.( см   скриншоты spots1 и spots2)

Данный алгоритм изначально планировалось применять для поиска областей изменений на снимках после вычитания. Однако выяснилось, что он может быть также применен и к задаче поиска смещений и поворотов для топограмм. Анализ топограммы целиком, по аналогии со срезами, оказался неэффективным, так как топограммы могут достаточно сильно отличаться,
что связано с расположением пациента внутри томографа.

Поэтому был разработан вариант алгоритма вычисления сдвига и смещения, который работает по набору точек, а не по всему изображению. В качестве особых опорных точек для сравнения топограмм были взяты самая верхняя, самая правая и соответствующая ей самая левая точки.
Процесс вычисления смещения и поворота на изображениях topogram-s1-...-s3

Однако этот  метод оказался недостаточно точным (погрешности в пределах +-10 пикселей и угол порядка 2 градусов).  Поэтому следующий вариант алгоритма, который в настоящее время находится в разработке, использует большее количество точек для анализа. Точки выбираются по границе изучаемого объекта (черепа) между особыми точками (треугольники), которые были получены в предыдущей версии алгоритма.

 

 

 

 

Две исходные топограммы одного и того же человека, полученные с промежутком в полгода.

 

 

 

 

  

 

Первый шаг работы алгоритма анализа углов поворотов  и сдвигов. Поворот осуществляется по трем точкам на черепе.

 

 

 

 

 

Второй шаг работы алгоритма анализа углов поворотов  и сдвигов. Изображения приведены в одну систему координат с определенной точностью.
 

 

 

 

 

 

 

Вычитание двух приведенных изображений

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Программа для отладки алгоритма кластеризации и распознавания изображений. Выделение  особых точек

 

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Отчет за 2008 год

Задачи этапа 2008 года

К концу 2008 года предполагалось:
1) Будут разработаны новые методы многомерного спектрального анализа, основанные на методе максимальной энтропии и главных компонент для обобщенных пространственно-временных решеток  и на оригинальных формулировках задач спектрального анализа;
Проведены теоретические оценки характеристик различных допустимых алгоритмов их реализации. Созданы отдельные тестовые программы для проверки теоретических основ разработанных методов и их эффективности.
2) Разработаны методы анализа изображений, основанные на методах спектрального анализа, позволяющие оценивать глобальные повороты изображений в тех плоскостях друг относительно друга. Проведен сравнительный анализ данных алгоритмов с другими типами известных алгоритмов, например, градиентными, позволяющими оценивать их относительный поворот.
Созданы отладочные и тестовые программы для проверки эффективности разработанных методов.
3) Проведены теоретические исследования по созданию методов оценивания спектральной плотности на основе антенных решеток переменной конфигурации. Методы такого рода до сих пор в литературе не встречались. Оценены допустимые типы относительного движения узлов антенной решетки в таких системах. Исследованы статистические характеристики оценок спектральной плотности для таких антенных решеток.
4) Разработана концепция раздела волновых процессов для космофизического практикума

Результаты этапа 2008 года

1. Разработана первая часть пакета программ многомерной спектральной обработки последовательности изображений, основанная на методе пространственной антенной решетки. Проведена отладка и тестирование.
Проведены предварительные исследования динамики волн в атмосфере Солнца по сериям магнитограмм.
2. Разработаны алгоритмы второй части пакета программ многомерной спектральной обработки последовательности изображений, основанной на двумерной авторегрессионной модели изображений и расположении узлов  антенной решетки, протяженной в пространстве и во времени.
3. Разработан алгоритм оценивания параметров нелинейных моделей, основанный на методе обобщенных дискретных подстановок Коула-Хопфа и многомерных моделей регрессии.
4. Разработаны алгоритмы вычисления относительных неконтролируемых сдвигов и поворотов двух и более последовательных томограмм тканей человека. Алгоритм прошел предварительное тестирование. Частично разработан пакет программ вычисления объективных изменений в тканях человека на основе двух или более последовательных томограмм.
5. Проведены работы по исследованию нелинейных моделей гидродинамического типа в целях дальнейшего их применения для задач описания нелинейных волновых процессов в атмосферах звезд, Солнца и планет.
6. Разработан алгоритм оценивания спектральной плотности на основе решетки с узлами, движущимися с различающимися постоянными относительными скоростями. Проведено предварительное тестирование алгоритма.
7. Разработан метод замыкания уравнений Рейнольдса для конечномерных динамических систем на основе метода максимальной энтропии.
8. Разработана общая концепция раздела космофизического практикума по волновым процессам на Солнце и атмосферах планет.