کاربرد پردازش تصویر

به گزارش خبرگزاری برق، الکترونیک و کامپیوتر ایران (الکترونیوز) و به نقل از فیزورگ، پژوهشگران مرکز جنگ هوایی دریایی در چاینا لیک کالیفرنیا، به همراه دانشگاه وایومینگ، سنسور فیبر نوری را با الگوبرداری از چشم مرکب مگس توسعه داده اند. یکی از بزرگ ترین مزایای این طرح، تشخیص سریع و دقیق لبه ها و مرزهای تصاویر می باشد. دستگاه هایی مانند وسایل نقلیه ی بدون سرنشین، موشک های هدایت شونده و ربات های صنعتی سریع مخصوص جستجو و کاوش، می توانند از مزایای این طرح برای تشخیص دقیق اجسام ریز و متحرک استفاده کنند....

دکتر رایلی و سایر پژوهشگران در مقاله ی اخیری در مجله ی «بیواینسپریشن و بیومیمتیکس»، توضیح دادند که چگونه سیستم بینایی مگس ها به طور منحصر به فردی می تواند اجسام ریز را با دقت بالایی تشخیص دهد. در واقع، مگس ها بر خلاف محدودیت وضوح بیناییشان، از دقت زیادی برخوردارند. این ویژگی که فرا تیزبینی نامیده می شود، در خیلی از موجودات و انسان ها امری عادی به شمار می رود.

پژوهشگران اظهار داشتند: "مگس مزایای مهمی در رابطه با ردیابی دارد. زمان واکنش مگس خیلی سریع است. آن ها می توانند خیلی بهتر از انسان های آموزش ندیده، واکنش نشان دهند و ردیابی کنند. هر چند، ما در مورد کیفیت بقیه ی بخش های بینایی مگس ها مردد هستیم. احتمالاً کیفیت بقیه ی بینایی آن ها شبیه ویژگی های ردیابی و واکنش آن هاست. روی هم رفته، کیفیت بینایی مگس ها (و فن آوری سنسور بینایی ربات که الهام گرفته از آن هاست) هنوز پایین تر از
بینایی انسان هاست و احتمالاً همیشه هم این گونه خواهد بود."

پژوهشگران توضیح دادند که جالب ترین جزء سازنده ی سیستم بینایی مگس این است که میدان دید هر «گیرنده ی نور» واقع در چشم مگس، با گیرنده های نور کناریش، بالای ۹۰ درصد هم پوشانی دارد. هر چشم مگس حدود ۳۰۰۰ اوماتیدیوم (واحد اصلی سازنده ی چشم) دارد و هر اوماتیدیوم، ۸ گیرنده ی نور را شامل می شود. عملکرد اصلی گیرنده های نور، تبدیل نور به جریان یونی است. این جریان بعداً به سیستم پردازش سیستم وارد می شود.

بر خلاف سیستم های پردازش تصویر معمولی که اغلب دیجیتال هستند، سیستم پردازش تصویر مگس آنالوگ است. سیستم های دیجیتال، داده ها را پیکسل به پیکسل دریافت می کنند و عموماً به زمان پردازش طولانی و همچنین پردازش محاسباتی سنگین احتیاج دارند. سیستم آنالوگ به مگس کمک می کند تا اطلاعات لبه ها را خیلی سریع تر استخراج کند و همچنین توانایی پردازش موازی را می دهد. این دو ویژگی مگس ها، منجر به سیستم بینایی دقیق و پرسرعت آن ها می شود.

پژوهشگران سنسورشان را برای تقلید از گیرنده های نور مگس ها (که با یکدیگر هم پوشانی دارند) و سیستم پردازش آنالوگ و موازی آن ها طراحی کردند. این سنسور شامل یک لنز کروی با قطر یک میلی متر می باشد که نور را بر روی تعدادی گیرنده ی نور متمرکز می کند. میدان دید گیرنده های نور این سنسور، حدود ۷۰ درصد با یکدیگر هم پوشانی دارند. در آزمایش های انجام شده مشاهده شد که سنسور توانست با کم ترین خطا، یک رشته نخ با پهنای یک میلی متر را که در میدان دید سنسور یعنی در فاصله های تا حداکثر ۲۰۰ میلی متر از لنز، حرکت می کرد، تشخیص دهد.

سیستم بینایی مذکور با چنان وضوح و کیفیت بالایی، می تواند در زمینه های مختلفی از جمله پزشکی، تجاری، صنعتی و دفاعی کاربرد داشته باشد. پژوهشگران در حال حاضر، سنسوری را که متشکل از ۷ اوماتیدیوم که هر کدام از آن ها از ۷ گیرنده ی نور تشکیل شده، تولید می کنند و امیدوارند که دقت و مقیاس این طرح را گسترش دهند.

پژوهشگران خاطر نشان کردند: "ما تصور می کنیم که این سنسور به عنوان یک مکمل برای سنسورهای تصویر قدیمی تر و برای کاربردهای گوناگون، مورد استفاده قرر گیرد. ما این سنسور را به عنوان یک جایگزین تلقی نمی کنیم. همچنان که مگس ها، دو چشم مرکب و یک چشم دوربین مانند خیلی ساده دارند، خیلی از کارهای بینایی کامپیوترها و ربات ها می تواند از مزایای این دو نوع سنسور بهره مند گردد."

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

چکيده - علم پردازش تصویر در چند دهه اخیر از هر دو جنبه نظری و عملی پیشرفت های چشمگیری داشته است. سرعت این پیشرفت به اندازه ای بوده است که هم اکنون، به راحتی می توان رد پای پردازش تصویر را در بسیاری از علوم و صنایع مشاهده نمود. بعضی از این کاربردها آنچنان به پردازش تصویر وابسته هستند که بدون آن،اساساً قابل استفاده نمی باشند. اگر چه ذکر تمام جزئیات کاربردهای پردازش تصویر در یک مقاله امکان پذیر نمی باشد ولی سعی شده است که به طور کلی اکثر زمینه های کاربرد آن بیان شود. در این مقاله چهارده زمینه ی مختلف کاربرد پردازش تصویر بیان شده است که عبارتند از: صنعت، پزشکی، علوم نظامی و امنیتی، زمین شناسی، فضانوردی و نجوم، شهرسازی، هنر و سینما، فناوری های علمی، سیاست و روانشناسی، کشاورزی، هواشناسی، باستان شناسی، اقتصاد و تبلیغات.

كليد واژه- پردازش تصویر(Image processing)، بینایی ماشین(Machine vision)، کاربرد

1- مقدمه
امروزه با گسترش روز افزون روش های مختلف اخذ اطلاعات گسسته مانند پویشگرها و دوربین های دیجیتالی، پردازش تصویر کاربرد فراوانی یافته است. تصاویر حاصله از این اطلاعات همواره کم و بیش همراه مقداری نویز بوده و در مواردی نیز دارای مشکل محوشدگی مرزهای نمونه های داخل تصویر می باشند که موجب کاهش وضوح تصویر دریافتی می گردند. مجموعه عملیات و روش هایی که به منظور کاهش عیوب و افزایش کیفیت ظاهری تصویر مورد استفاده قرار میگیرد، پردازش تصویر نامیده می شود. اگرچه حوزه های کار با تصویر بسیار وسیع است ولی عموماً محدوده مورد توجه در چهار زمینه ی بهبود کیفیت ظاهری(Enhancement)، بازسازی تصاویر مختل شده(Restoration)، فشرده گی و رمزگذاری تصویر (Compression and Coding) و درک تصویر توسط ماشین (Understanding) متمرکز می گردد.
بهبود تصاویر شامل روش هایی مثل استفاده از فــ....یـــ......لـــ......تـــ.... ...ر محو کننده و افزایش تضاد برای بهتر کردن کیفیت دیداری تصاویر و اطمینان از نمایش درست آن ها در محیط مقصد است. بینایی ماشین به روش هایی می پردازد که به کمک آن ها می توان معنی و محتوای تصاویر را درک کرد تا از آن ها در کارهایی چون رباتیک و محور تصاویر استفاده شود. پردازش تصویر از هر دو جنبه نظری و عملی پیشرفت های چشمگیری داشته است و بسیاری از علوم به آن وابسته اند.
2- کاربردهای پردازش تصویر

زمینه های مختلف کاربرد پردازش تصویر عبارتند از صنعت، هواشناسی، شهرسازی، کشاورزی، علوم نظامی و امنیتی، نجوم و فضا نوردی، پزشکی، فناوری های علمی، باستان شناسی، تبلیغات، سینما، اقتصاد، روانشناسی و زمین شناسی که در ادامه درباره هر کدام مختصراً بحث شده است.

2-1-صنعت

امروزه کمتر کارخانه پیشرفته ای وجود دارد که بخشی از خط تولید آن توسط برنامه های هوشمند بینایی ماشین کنترل نشود. خطای بسیار کم، سرعت زیاد، هزینه نگهداری بسیار پایین، عدم نیاز به حضور اپراتور 24 ساعته و خیلی مزایای دیگر باعث شده که صنایع و کارخانه ها به سرعت به سمت پردازش تصویر و بینایی ماشین روی بیاورند. دستگاهی ساخته شده که قادر است کیک های پخته را از کیک هایی که نیاز به پخت مجدد دارند، تشخیص دهد و آنها را به صورت اتوماتیک به بسته بندی بفرستد و کیک هایی که نیاز به پخت دارند را دوباره برای پختن ارسال کند.
یکی دیگر از دلایل استفاده از بینایی ماشین قابلیت دیدن و اندازه گیری محصولاتی است که دیدن یا اندازه گیری آنها با چشم غیر مسلح غیر ممکن است. عناصر تشکیل دهنده یک سیستم بینایی ماشین نرم افزار هوشمند بینایی است که ورودی خود را از دوربین های نصب شده در بخش های مختلف خط تولید می گیرد و بر اساس تصاویر دریافتی دستورات لازم برای کنترل ماشین های صنعتی را صادر می کند. پردازش تصویر در تشخیص دمای کوره هایی که هیچ وسیله ی مکانیکی و الکترونیکی تحمل دمای آنها را ندارد، کاربرد دارد. دوربین های حرارتی می توانند مشکل بخشی از سازه ی مورد نظر را تشخیص دهند.

2-2 هواشناسی

از آنجایی که در علم هواشناسی تشخیص و پیش بینی آب و هوا اکثراً از طریق تصاویر هوایی و ماهواره ای انجام می گیرد، پردازش تصویر در این علم کاربرد زیادی دارد و دقت و سرعت پیش بینی آب و هوا و طوفان ها را بسیار بالا می برد. جبهه های پرفشار، کم فشار، گردبادها و گرداب های بوجود آمده در سطح کره زمین را می توان مشاهده کرد.

2-3شهرسازی

با مقایسه عکس های مختلف از سال های مختلف یک شهر می توان میزان گسترش و پیشرفت آن را مشاهده کرد.
کاربرد دیگر پردازش تصویر می تواند در کنترل ترافیک باشد. با گرفتن عکس های هوایی از زمین ترافیک هر قسمت از شهر مشخص می شود.
قبل از ساختن یک شهر می توان آن را توسط کامپیوتر شبیه سازی کرد که به صورت دو بعدی از بالا و حتی به صورت سه بعدی از دید های مختلف، یک شهرک چطور ممکن است به نظر برسد. تصاویر ماهواره ای که از شهرها گرفته می شود، می تواند توسط فــ....یـــ......لـــ......تـــ.... ...رهای مختلف پردازش تصویر فــ....یـــ......لـــ......تـــ.... ...ر شود و اطلاعات مختلفی از آن استخراج شود. به طور مثال این که شهر در چه قسمت هایی دارای ساختمان ها، آب ها یا راه های بیشتری است و همین طور می توان جاده هایی که داخل یا خارج از شهر کشیده شده اند را تحلیل کرد.

2-4- کشاورزی
این علم در بخش کشاورزی معمولاً در دو حالت کاربرد دارد. یکی در پردازش تصاویر گرفته شده از ارتفاعات بالا مثلاً از هواپیما و دیگری در پردازش تصاویر نزدیک به زمین.
در تصاویر دور به عنوان مثال می توان تقسیم بندی اراضی را تحلیل کرد. همچنین می توان با مقایسه تصاویر دریافتی در زمان های متفاوت میزان صدمات احتمالی وارد به محیط زیست را دید. به عنوان مثال می توان برنامه ای نوشت که با توجه به محل رودخانه ها و نوع خاک مناطق مختلف، به صورت اتوماتیک بهترین نقاط برای کشت محصولات مختلف را تعیین می کند.
تصاویر نزدیک هم در ساخت ماشین های هرز چین اتوماتیک کاربرد دارد. امروزه ماشین های بسیار گران قیمت کشاورزی وجود دارند که می توانند علف های هرز را از گیاهان تشخیص بدهند و به صورت خودکار آنها را نابود کنند.
برای مثال یکی از پروژه های جالب در بخش کشاورزی، تشخیص خودکار گل زعفران برای جداسازی پرچم قرمز رنگ آن بوده است. این پردازش که توسط نرم افزار Stigma detection®انجام گرفته است.

2-5- علوم نظامی و امنیتی
پردازش تصویر بخصوص بینایی هوشمند، کاربردهای بسیاری را در علوم نظامی و امنیتی دارند و این کاربرد برای دولت اکثر کشورها بسیار مهم است. به عنوان مثال موشک هدایت شونده خودکاری وجود دارد که می تواند روی در یک ساختمان قفل کند و حتی می تواند به درز بین در و دیوار آن ساختمان که حساس ترین جای ساختمان است به راحتی نفوذ کند. این موشک به صورت اتوماتیک این قسمت را شناسایی کرده و به سمت آن حمله می کند.
در مسائل امنیتی هم کاربرد پردازش تصویر کاملاً در زندگی ما مشهود است. دوربین های که به صورت اتوماتیک از ماشین هایی که تخلف رانندگی انجام می دهند عکس برداری می کند.
از سیستم های امنیتی دیگر می توان سیستم تشخیص اثر انگشت اتوماتیک را نام برد. در لپ تاپ های جدید قابلیت finger print به آنها اضافه شده و می تواند صاحب لپ تاپ را توسط اثر انگشت شناسایی کند.
کد امنیتی دیگری که همیشه همراه انسان حمل می شود، چشم انسان است. دانشمندان ثابت کرده اند که پترن های (Pattern) موجود در مردمک چشم هر انسان منحصر به فرد است و هیچ دو فردی در دنیا وجود ندارند که پترن هایی که در مردمک چشم آنها وجود دارد دقیقاً مثل هم باشد. از همین روش برای شناخت افراد و سیستم های امنیتی استفاده می شود.

در کل این خواص بیومتریک در انسان بسیار زیاد است. عرض و طول صورت، فاصله بین انگشتان دست، طول و عرض انگشت ها، فاصله ی بندها از یکدیگر و حتی خط های کشیده شده کف دست و هزاران خاصیت دیگر، تماماً خصوصیاتی هستند که برای انسان ها منحصر به فرد هستند.دوربین هایی وجود دارند که به صورت دید در شب، قادر هستند چیزهایی را که ما نمی بینیم، ببینند و پردازش کنند.اسلحه های خودکاری ساخته شده اند که به صورت اتوماتیک و دقیق نشانه گیری می کنند.
پردازش تصویر همینطور با پردازش تصاویر گرفته شده از فاصله های دور هم می تواند در علوم نظامی و امنیتی کمک کند.به عنوان مثال دوربینی قادر است با سرعت بسیار زیاد یک توپ را دنبال کند.این مسئله کاربرد بسیار زیادی در مسائل نظامی دارد.

2-6- نجوم و فضا نوردی
ساخت دستگاه های اتوماتیک رصد آسمان و ثبت وقایع آسمانی به صورت خودکار از کاربردهای پردازش تصویر است که امروزه روی آن کار می شود.
از پروژه های جدید در بخش نجوم که بخشی از آن توسط سیستم پردازش تصویر انجام می شود، تهیه نقشه سه بعدی از کل عالم کائنات است !

پردازش تصویر در فضانوردی هم کاربرد زیادی دارد. در تصاویر دور می توان سطح سیارات و همچنین سطح قمرها را اسکن کرده و اطلاعات بسیار ریزی از آنها استخراج کنیم.
کاربرد دیگر پردازش تصویر در فــ....یـــ......لـــ......تـــ.... ...ر کردن عکس هایی است که توسط تلسکوپ های فضایی مختلف از جمله هابل (Hubble Space Telescope)، از فضا گرفته می شود.
کاربرد دیگر آن حذف گرد و خاک و جو سیاره ها از تصاویر به کمک تصویربرداری IR و X-RAY به صورت همزمان و ترکیب این تصاویر است.
در تصاویر نزدیک هم کاربرد دارد، از جمله هدایت مریخ نوردها، فرود فضاپیماهای بدون سرنشین و الصاق تجهیزات جدید به ایستگاههای فضایی به صورت خودکار.
از امکانات سایت گوگل، امکاناتی است به نام Google Mars که این برنامه دقیقاً مانند Google Earth عمل می کند با این تفاوت که Google Earth سطح زمین را در هر زمان که بخواهید و در هر نقطه ای از زمین و از ارتفاع های بسیار پائین هم نشان می دهد ولی Google Mars دقیقاً همین کار را برای سطح سیاره مریخ انجام می دهد.

2-7- پزشکی
یکی از مهمترین کاربردهای پردازش تصویر در علم پزشکی است. در جایی که ما نیاز داریم تمام عکس ها با نهایت شفافیت و وضوح گرفته شوند زیرا دیدن تمام جزئیات لازم است. جراحی های ریز microsurgery با ایجاد یک سوراخ کوچک و فقط دیدن محل جراحی توسط پزشک، از راه دور و توسط بازوهای رباتیک بسیار دقیق انجام می شوند.

2-8- فناوری های علمی
پردازش تصویر در افزایش سرعت پیشرفت های علمی تأثیر فوق العاده داشته است. اولین و مشخص ترین تأثیر آن را می توان در علم عکاسی یا هنر دید. شکار لحظه های شگفت آوری که در کسری از ثانیه اتفاق می افتد، بالا بردن وضوح عکس های گرفته شده و ایجاد افکت های خیره کننده، از دستاوردهای پردازش تصویر است.
همچنین در توسعه تکنولوژی پیشرفته gps (Global Positioning Systems) کمک زیادی داشته و تهیه نقشه های سه بعدی از جاده ها در تمام نقاط جهان، از کاربردهای دیگر آن است. با به وجود آمدن این علم، مسابقات ربات های فوتبالیست به صورت جدی دنبال شد.
این علم در پیشرفت علوم پایه فیزیک ، شیمی و مخصوصاً تحقیقات فیزیکی و مکانیکی، کمک فراوانی کرده است. به عنوان مثال وسیله ای برای حمل و نقل کالاها در مسیرهای صعب العبور ساخته شده است. قبل از ساخت آن، رفتار چهارپایان در حالت های مختلف توسط کامپیوتر تحلیل و عیناً به دستگاه آموزش داده شده است.در کل پردازش تصاویر به علت سرعت زیاد آن، در ساخت وسایل مکانیکی پر سرعت، کاربرد زیادی دارد. وسیله ای وجود دارد که قادر است ، توپی که با سرعت بسیار زیاد به سمت پائین می آید را مهار کند.

2-9- باستان شناسی

در علم باستان شناسی تنها مدارک باقی مانده از دوران باستان، دست نوشته ها، نقاشی ها و غارنگاری های قدیمی است. تهیه تصاویر از بناهای گذشته و بازسازی مجازی این بناهای تاریخی یکی از کاربردهای پردازش تصویر در این علم است. همچنین می توان نقاشی ها و غارنگاری ها را مورد پردازش دقیق قرار داد و شکل آنها را همان طور که در ابتدا بوده اند، شبیه سازی کرد. حتی می توان مکانهای باستانی را از زوایایی که تصاویر مستندی از آنها وجود ندارد، شبیه سازی کرد.
امروزه یکی از پروژه های پر سر و صدای بازسازی بناهای باستانی، بازسازی شهر روم باستان توسط دانشمندان ایتالیایی است. هم اکنون توریست ها با زدن عینک های مخصوص می توانند در خیابان های شهر روم باستان قدم بزنند.

2-10- تبلیغات
از مقایسه تبلیغات دهه ی 70 و 80 میلادی با تبلیغات امروزی می توان تأثیر تکنولوژی را در تبلیغات کاملاً درک کرد. تغییر شکل تبلیغات از اشکال مربع و زاویه دار به شکل های دایره ای، تغییر رنگ تبلیغات و هزاران تغییر دیگر. یکی از مهمترین فاکتورهای فروش و دلایل بالا رفتن یا پایین آمدن فروش، شکل و نحوه ی بسته بندی کالاست. پردازش تصویر می تواند به ما کمک کند تا قبل از تولید یک بسته بندی آن را شبیه سازی کنیم. با ادغام کردن علم الگوریتم ژنتیک با پردازش تصویر می توان برنامه ای را نوشت که به صورت اتوماتیک به ساختن بسته بندی های مختلف بپردازد و آنهایی که از نظر کاربران زیباتر و جالب تر به نظر خواهند آمد را به ما معرفی نماید.

2-11 سینما

اولین علمی که پردازش تصویر در آن مورد استفاده قرار گرفت، هنر و سینما بود. یکی از تکنولوژی های برتر دنیا motion capture است که در آن یک کاراکتر انیمیشنی قادر است حرکات دست انسان را تقلید کند. امروزه این سیستم جهت ساخت فیلم ها و بازی های کامپیوتری مورد استفاده قرار می گیرد.
در پردازش تصویر قابلیتی به نام هیستوگرام (Histogram) وجود دارد که با آن قادرند تصاویر را شفاف یا تیره تر کرده و یا هر تغییر مورد نیاز دیگری را روی تصاویر با توجه به منحنی ها و نمودارهای هیستوگرام بدهند.
در سینما برای اینکه تصویری شفاف به نظر آید، با استفاده از یک کره ی نقره ای رنگ، تصاویر اطراف دوربین را هم ثبت می کنند. بنابراین تصویر نسبت به محیط اطراف خود شفافیت غیر قابل تصوری پیدا می کند.

2-12- اقتصاد
در دنیای امروز تمام نوآوری ها، به نوعی مستقیم یا غیر مستقیم باعث تغییراتی در اقتصاد گروهی از کشورها و یا کل دنیا می شوند. پردازش تصویر هم، به صورت مستقیم و غیر مستقیم در اقتصاد تأثیر گذار است. در تبلیغات، سیاست، فضانوردی، کشاورزی، شهرسازی، سینما، پزشکی و علوم نظامی می تواند تأثیر غیر مستقیمی در اقتصاد کشورها داشته باشد. همچنین از تأثیر مستقیم آن در اقتصاد، می توان به وجود شعبه های بانک بدون کارمند اشاره کرد. این شعبه ها قادرند به صورت خودکار سریال چک ها و قبوض پرداختی را بخوانند، نوع اسکناس ها را تشخیص دهند و تا حد زیادی از کارهای یک بانک عادی را انجام دهند.

2-13- روانشناسی
بحث تاثیر رنگ در روحیه انسان اهمیت بسیار زیادی دارد به طوری که در روانشناسی گرایشی به نام روانشناسی رنگ وجود دارد. در این علم در مورد رنگ ها و تأثیر هر یک بر روح و جسم انسان صحبت می شود. به عنوان مثال رنگ قرمز بیشتر تأثیر را در چشم انسان دارد. در حالی که رنگ سبز بیشترین تأثیر را در مغز انسان دارد.
همچنین رنگ آبی باعث ایجاد حس آرامش و اطمینان در انسان می شود. به همین دلیل در سخنرانی های اکثر سیاستمداران دنیا از پرده آبی رنگ در پشت سر آن ها استفاده می شود.
با پردازش تصویر می توان به راحتی تصاویر ثابت و متحرک را ویرایش کرد. به طور مثال رنگ آبی را برای ایجاد حس اطمینان یا رنگ سبز را برای حس زیبایی و قرمز را برای ایجاد هیجان در تصاویر پر رنگ تر کرد.

2-14- زمین شناسی‌
با پردازش تصویر می توان کانی های مختلف را از روی رنگ و اندازه آن ها شناسایی و دسته بندی کرد. همچنین در زمین شناسی برای پی بردن به مواد تشکیل دهنده کانی ها از روش پرتونگاری ((tomography استفاده می کنند و پردازش تصویر در این بخش می تواند سرعت و دقت این روش را بسیار بالا ببرد. کاربرد دیگر آن این است که دانشمندان با مقایسه کردن ارتفاع آب در سال های مختلف، در واقع روند تند شدن یا کند شدن کاهش آّب در سطح زمین را مورد بررسی قرار می دهند.

3- نتیجه گیری
رد پای پردازش تصویر در بسیاری از علوم و صنایع مشاهده می شود و بعضی از این کاربردها آنچنان به پردازش تصویر وابسته هستند که بدون آن، اساساً قابل استفاده نمی باشند. کاربرد پردازش تصویر در هر یک از زمینه هایی که بحث شد، بسیار گسترده است

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

صویر برداری با تشدید مغناطیسی یا MRI

مقدمه :

MRI يا NMRI ؟
تصویر برداری با تشدید مغناطیسی (MRI) ، یک تکنیک طبّی است که اساساً برای تولید عکس هایی با کیفیت بالا از درون بدن انسان استفاده می شود . (MRI) طبق اصول تشدید مغناطیسی هسته ای پایه گذاری شده است . (NMR ) یک روش نوری است که دانشمندان برای بدست آوردن خواص فیزیکی و شیمیایی مولکول ها از آن بهره می برند . این تکنیک را در دهه ی هفتاد بجای تصویر برداری با تشدید مغناطیسی هسته ای (NMRI) ، تصویر برداری با تشدید مغناطیسی نامیدند ، زیرا در آن زمان لفظ "هسته ای" به نوعی منحوس به شمار می آمد . MRI اولین روشی بود که با استفاده از پرتو نگاری ، می توانست تصویر یک سیگنال تشدید مغناطیسی روی برش نازکی از بدن انسان را نمایش دهد .
MRI ، با گذشت زمان از یک روش پرتونگاری ساده به یک روش تصویر برداری حجمی مبدل شد . این کتاب تصویری کلی از اصول کار در MRI را ارائه می دهد .
قبل از مطالعه ی دانش MRI ، خالی از لطف نیست اگر نگاه مختصری به تاریخچه ی آن بیندازیم .

MRI Timeline
1946    MR phenomenon - Bloch & Purcell
1952    Nobel Prize – Bloch & Purcell
1950    NMR developed as analytical tool
1960
1970
1972    Computerized Tomography
1973    Backprojection MRI - Lauterbur
1975    Fourier Imaging - Ernst
1977    Echo-planar imaging - Mansfield
1980    FT MRI demonstrated - Edelstein
1986    Gradient Echo Imaging
   NMR Microscope
1987    MR Angiography - Dumoulin
1991    Nobel Prize - Ernst
1992    Functional MRI
1994    Hyperpolarized 129Xe Imaging
2003    Nobel Prize - Lauterbur & Mansfield
Bloch و Purcell، که هر دو به سال 1952 موفق به اخذ جایزه نوبل شدند ، در سال 1946 هر یک به طور جداگانه ، تشدید مغناطیسی را کشف کردند . طی سالهای 1950 تا 1970 ، NMR برای تحلیل مولکولی مورد استفاده قرار میگرفت .
در سال 1971 ، Damadian نشان داد که مدت زمان آرامش مغناطیسی هسته ای سلولهای سالم با سلولهای سرطانی متفاوت است . این سبب تحریک محققان شد و ایشان را بر آن داشت که از تشدید برای تشخیص بیماری ها بهره جویند .
در سال 1973 ، Hounsfield تصویر برداری با اشعه ی ایکس( TAC ) را به عالم علم تقدیم کرد . این تاریخ حایز اهمیت است زیرا در آن MRI با هزینه های فراوانی به بیمارستان ها راه پیدا کرد . MRI ، درهمان سال برای اولین بار توسط Lauterbur با موفقیت روی نمونه های کوچک در لوله ی آزمایشگاهی امتحان شد .
وی برای عکس برداری از تکنیک " بک پروجکشن " بهره برد ( بک پروجکشن در سینما به تکنیکی گفته می شود که در آن تصویراز پشت ، روی یک پرده افتاده و بیننده ، عکسبردار یا فیلمبردار ، از جلو به پرده می نگرد -) . در سال1975 ، Ernst استفاده های دیگر MRI مثل رمز بندی فرکانس و رمزبندی فاز را با تبدیل فوریه ارایه داد . این تکنیک در حال حاضر پایه ی تکنیک های فعلی MRI است . دو سال بعد یعنی در سال 1977 ، Damadian ، MRI را روی بدن انسان آزمایش کرد . در همان سال ، Mansfield روش تصویر برداری اکو پلا نار را توسعه داد ( EPI ) . از این تکنیک در سال های بعد برای تولید تصاویر با فرکانس ویدیو (30 تصویر بر ms ) استفاده شد . در سال 1980 ، Edelstein وهمکارانش از روش Ernst ، برای تصویر برداری از بدن انسان بهره بردند .
در این آزمایشات در هر پنج دقیقه یک عکس گرفته می شد . از سال 1986 به بعد این زمان به 5 ثانیه کاهش یافت ، بدون اینکه از کیفیت عکس ها کاسته شود . در همان سال برخی از دانشمندان در حال ساخت میکروسکوپ NMRبودند . این میکروسکوپ از دقتی معادل 10μm روی نمونه ها یی در ابعاد یک سانتی متر برخوردار بود . در سال 1987 ، EPI برای بدست آوردن تصویر یک دوره از تپش قلب بر مبنای زمان استفاده شد . در همان سال ، Dumoulin آنژیوگرافی (تصویر برداری ازعروق) با تشدید مغناطیسی را مطالعه میکرد
( MRA ( ، که به علم طب اجازه ی داشتن تصاویری از تشدید مغناطیسی جریان خون بدون وسایل ایجاد تضاد رنگی می داد . در سال1991 ، Ernst جایزه ی نوبل شیمی را به دلیل نتایجی که از اعمال تبدیل فوریه درNMR و MRI بدست آورده بود ، دریافت کرد . در سال 1993 ، بشر به MRI کاربردی دست می یافت . این تکنیک ، اجازه ی ساخت یک نقشه از کار اعضای مختلف بدن در مغز را می داد . شش سال قبل از این ، برخی شیمیدانان براین عقیده بودند که کاربرد اصلی تصویر برداری "اکو- پلانار" بایستی تصویر برداری از قلب بر مبنای زمان باشد . گسترش و توسعه MRI کاربردی یک استفاده ی جدید ازEPI را ( در ساخت نقشه ای از مناطقی از مغز که مسئولیت کنترل فکر و حرکت را بر عهده داشتند) نشان داد . در سال1994 ، محققین دانشگاه های Stony Brook و Princeton در ایالت نیویورک امریکا ، استفاده از گاز هیپرپلاریزه ( زنون بسیار قطبی شده) را در تصویر برداری برای مطالعه ی تنفس امتحان کردند . در سال 2003 ، Lauterbur از دانشگاه Illinois وp.Mansfield از دانشگاه Nottingham جایزه ی نوبل در طب را به مناسبت اکتشافاتشان در زمینه ی MRI دریافت کردند . مسلماً MRI یک دانش جوان و در حال تحول است .

فرصت ها در MRI
در سال 2003 ، طبق یک تخمین ، تعداد واحد های MRI موجود در جهان ، 10000 واحد برآورد شده است که هر سال تقریباً 75 میلیون آزمایش انجام می دهند . رشد بخش MRI فرصت های شغلی در این زمینه را زیاد می کند .
وجود رادیولوژیست متخصص برای خواندن تصاویرMRI ، گریز ناپذیر است . انتظار میرود که درآینده نیز نیاز به این متخصصین از رشد برخوردار باشد ، زیرا که در این برهه ی زمانی ، در بازار اشتغال درخواست برای تکنیسین رادیولوژی نیز رو به افزایش است .
یک تکنیسین رادیولوژی ، شخصی است که با دستگاه MRI ، تصاویر تجویز شده توسط رادیولوژیست متخصص را می گیرد . یک تحقیق که به مطالعه ی تعداد دستگاههای نصب شده پرداخته ، نشان داده است که در آینده به طور ثابت ، سالانه به هزار تکنیسین ، نیاز خواهد بود .
یک منبع اطلاعاتی خوب برای تکنیسین ها SMRT ( انجمن کارکنان (MR است .
در زمینه ی MRI ، اخیراً دو شغل جدید نیز ایجاد شده اند : تکنیسین ماهر در
post-processing (پردازش ثانوی) و متخصص امنیتی .
تکنیسین Post-processing ، پردازش تصویریِ عکس های MRI جهت استخراج اطلاعات بیشتر یا افزایش دقت دید تصویر را بر عهده دارد . متخصص امنیتی هم جهت یک استفاده ی امن ، مطمئن و صحیح بکار گرفته می شود .
پیچیدگی سیستم MRI ، نیاز به یک حرفه ی دیگر را نیز اجتناب ناپذیر می سازد : تکنیسین مربوط به نگهداری و تعمیرات .
معمولا کارمندهای شرکت های تولید MR که دارای یک دیپلم از شرکت یا دارای مدرک کارشناسی در الکترونیک یا الکتروتکنیک می باشند ، می توانند وارد تاسیسات بزرگ شده و عملکرد خوب MRI را تضمین کنند .
مثل سایر زمینه ها ، برای انجام تحقیقات پایه ای و جلو بردن دانش سمت مرزهای جدید ، به محققین گوناگون در شیمی ، بیولوژی و فیزیک نیاز است . برخی از موضوعات تحقیق عبارتند از : تصویر برداری از مولکول ها و ساخت دنباله ای از پالس های پیشرفته .
این افراد معمولاً دارای کارشناسی در زمینه ی مربوطه ، تجربه ی زیاد درMRI و انگیزه ای بالا هستند . یک منبع خوب اطلاعاتی برای محققین ، انجمن بین المللی تشدید مغناطیسی در طب است ( ISMRM ) .
مهندسین رشته های مواد و مهندسی پزشکی نیز ، برای ساخت زیر سیستم های MRI مورد نیاز هستند . یکی از زیر سیستم های مطرح و مورد نیاز ، سیم پیچ های تصویر برداری هستند . یک محیط جالب دیگر ، محیط توسعه ی دستگاه های جانبی MRI است (دستگاه تنظیم ضربان قلب یا Pacemaker و دیگر دستگاه ها) .
برای تشخیص بیماری ها و پاتولوژی ، نیاز به متخصصین در امر تصویر برداری می باشد که قادر به انجام پردازش ثانوی تصاویرMRI هستند . نیاز به متخصصین کامپیوتر هم ، برای طراحی و ساخت اینترفیس های گرافیکی ) GUI ( ضروری است . )اینترفیس هایی که کارا و ساده باشند) . در پایان ، از مهندسین آرشیتکت نام می بریم که برای طراحی و ساخت مراکز MRI کارا و مطمئن ، ضروری می باشند . این کتاب می تواند نقطه شروع خوبی برای تمام کسانی باشد که می خواهند وارد دنیای MRI یا زمینه های مربوط به MRIشوند .
اگر شما به یکی از این حرفه ها علاقمندید به شما پیشنهاد می کنیم تعمق و تامل زیادی روی حرفه های مربوط به MRI داشته باشید و اطلاعات خود را درباره ی مدارج تحصیلی مورد نیاز تکمیل کنید .
فعلا در دنیا ، شش سازنده ی اصلی MRI برای استفاده های کلینیکی موجودند . علاوه بر اینها ، دو سازنده ی دیگر وجود دارند که MRI برای کارهای تحقیقاتی تولید می کنند . بقیه ی سازنده ها ، زیر سیستم هایMRI را تولید می کنند ( مثل تقویت کننده های RF ، وسائل جانبی ، سیم پیچ های RF و مگنت ها) .

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

صویر برداری تومو گرافیک
این کتاب سعی بر این دارد که اصول MRI را از لحاظ میکروسکوپی و ماکروسکوپی و اصول سیستم تصویر برداری به شما آموزش دهد . MRI ، تصویر یک لایه ی نازک از بدن انسان را ارائه می دهد . این لایه ، دارای یک قطر است که به آن Thk گفته می شود
این نوع تصویر برداری به نوعی ، معادل لایه لایه کردن بدن در آناتومی است . این لایه را به تعداد زیادی المان حجمی یا Voxel تقسیم بندی می کنند .حجم یک Voxel تقریبا3mm3 است . تصویر گرفته شده با MRI به المان هایی با نام Pixel تقسیم بندی می شود . دقت یک پیکسل متناسب با شدت سیگنال NMR است که به المان حجم یا Voxel شیء تصویر برداری شده تابیده می شود .
MRIبراساس جذب و دفع انرژی طیف های الکترو مغناطیسی با فرکانس رادیویی پایه ریزی می شود . روشن است که از اشعه ی ایکس به این علت استفاده می شود که بدن انسان امواج و تشعشعات را تضعیف می کند .
بدن انسان اساساً از آب و چربی ساخته شده است . آب و چربی دارای اتم های هیدروژن فراوانی هستند که این سبب می شود 63 درصد هیدروژن بدن مربوط به آب و چربی باشد . هسته ی اتم های H دارای یک سیگنال NMR هستند . به این دلیل MRI تصویر سیگنال هسته های H را می گیرد . هرVoxel از بدن انسان دارای یک یا چند بافت است . مثلاً فرض کنیم یک Voxel وجود دارد که از یک بافت ساخته شده است .
بنابراین تمام Voxel مورد نظر از یک نوع سلول ساخته شده است .
اگر با دقت بیشتری نگاه کنیم درون هر سلول مولکول های آب وجود دارند .

هر مولکول آب یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن دارد . چیزی که اهمیت دارد اسپین پروتون هسته هیدروژن است .
پس پروتون دارای خاصیتی به نام spin است که:
1-می توانیم آنرا به عنوان یک میدان مغناطیسی کوچک در نظر بگیریم .
2- سبب می شود هسته سیگنال NMR تولید کند.
تمام هسته ها دارای spin نیستند. یک لیست از این هسته ها در بخش فیزیک spin ارائه میشود .

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

منبع:eca.ir

کاربرد پردازش تصویر

مطالب مشابه :

کاربرد پردازش تصویر در کشاورزی

کاربرد پردازش تصویر

کاربردهای پردازش تصویر در دنیای امروز

پردازش تصویر یا ماشین بینایی

پردازش تصویر(Image Processing)

پردازش تصویر

دانلود پروژه پردازش تصویر دیجیتال

دانلود اموزش پردازش تصویر

مجموع مقالات کشاورزی موجود در این پایگاه