Анализ и распознавание наномасштабных изображений: традиционные подходы и новые постановки задач
Сойфер В.А,Куприянов А.В.

Аннотация:
В статье рассмотрен класс наномасштабных изображений (НМИ), формируемых электронными микроскопами со сверхбольшим увеличением, позволяющим исследовать структуру материи, в т.ч. на атомарном уровне. Приведены характерные примеры НМИ. Выявлены основные особенности НМИ – самоподобная (многоуровневая, вложенная) периодичность и сложные модели наблюдения. Показана ключевая роль кристаллических решёток Бравэ в решении задачи распознавания НМИ. Проведён анализ базовых операций обработки и распознавания изображений, реализуемых средствами пакетов VIGRA, GIMP, DigitalMicrograph и др. применительно к НМИ. Сделаны выводы о том, что природа НМИ диктует необходимость модификации базовых операций и приводит к постановке новых задач анализа и распознавания изображений.

Abstract:
In this paper a class of nanoscale images (NSI) is considered. The NSI are formed in the electronic microscope with ultra-high resolution, allows examining the structure of matter at the atomic level. The typical examples of NSI are presented. The fundamental properties of the NSI are disclosed, such as self-similar (multilevel embedded) periodicity and complexity of the observation models. The key role of the Bravais lattices of crystal is depicted in the solution of the problem of NSI recognition. The analysis is conducted of the basic image processing and recognition operations, implemented in the various software packages like VIGRA, GIMP, DigitalMicrograph et. al, in application for the NSI processing. The conclusion is made, that nature of NSI prescribe the necessity of modification of the basic operations and leads to the statement of the original tasks of image analysis and recognition.

Ключевые слова :
наномасштабные изображения, модели наблюдения, многоуровневая периодичность, базовые операции обработки изображений, решётки Бравэ.

Key words:
nanoscale images, observation models, multilevel periodicity, basic operations of image processing, Bravais lattices.

Литература:

  1. Кобаяси, Н. Введение в нанотехнологию / Н. Кобаяси. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2008. – 134 с.
  2. Фостер, Л. Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности / Л. Фостер. – М.: Техносфера, 2008. – 352 с.
  3. VIGRA Computer Vision Library, http://hci.iwr.uni-heidelberg.de/vigra/
  4. GIMP, the GNU Image Manipulation Program, http://www.gimp.org/
  5. DigitalMicrograph™ , Gatan Microscopy Suite (GMS), http://gatan.com/products/software/
  6. Alberts, B. Molecular Biology of the Cell. 4th edition / B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, [et al.]. – New York: Garland Science, 2002 . – 1616 р.
  7. Эгертон, Р.Ф. Физические принципы электронной микроскопии / Р.Ф. Эгертон.– М.: Техносфера, 2010. – 304 с.
  8. Шредер, М Фракталы, хаос, степенные законы. Миниатюры из бесконечного рая / М. Шредер. – Издательство: Регулярная и хаотическая динамика, 2005. – 528 с.
  9. Решетов, В. Нанотехнологии, или Атомы вместо гвоздей / Владимир Решетов // Вокруг света. – 2007. – № 4. – [http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/3107/]
  10. http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope
  11. http://en.wikipedia.org/wiki/Template:ButterflyScaleMicroscopy
  12. Кларк, Э.Р. Микроскопические методы исследования материалов / Э.Р. Кларк, К.Н. Эберхардт. – М.: Техносфера, 2007. – 367 с.
  13. Вайнштейн, Б.К. Электронная микроскопия атомного разрешения / Б.К. Вайнштейн // Успехи физических наук. – 1987. – Т. 152, № 5. – С. 75-122.
  14. Суворов, Э.В. Физические основы экспериментальных методов исследования реальной структуры кристаллов / Э.В. Суворов. – Черноголовка, 1999. – 232 с.
  15. Уманский, Я.С. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я.С. Уманский, Ю.А. Скаков, А.Н. Иванов, Л.Н. Расторгуев. – М.: Металлургия, 1982. – 632 с.
  16. Егоров-Тисменко, Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия / Ю.К. Егоров-Тисменко. – М.: Книжный Дом «Университет», 2005. – 592 с.
  17. Куприянов, А.В. Анализ текстур и определение типа кристаллической решётки на наномасштабных изображениях / А.В. Куприянов // Компьютерная оптика. – 2011. – Т. 35, № 2. – С. 144-151.
  18. Конвей, Дж. Упаковки шаров, решётки и группы. В 2-х томах / Дж. Конвей, Н. Слоэн. – М: Мир, 1990. – 376 с.
  19. Корепанов, А.О. Метод пространственного восстановления коронарных артерий по малому числу ангиографических проекций / А.О. Корепанов, Н.Ю. Ильясова, А.В. Куприянов, А.Г. Храмов, А.В. Устинов, А.О. Ковалёв// Компьютерная оптика. – 2004. – № 26. – С. 90-98.
  20. Ильясова, Н.Ю. Компьютерная технология восстановления пространственной структуры коронарных сосудов по ангиографическим проекциям / Н.Ю. Ильясова, Н.Л. Казанский, А.О. Корепанов, А.В. Куприянов, А.В. Устинов, А.Г. Храмов // Компьютерная оптика. – 2009. – Т. 33, № 3. – С. 281-318.
  21. Методы компьютерной обработки изображений / под ред. В.А. Сойфера. – 2 изд., испр. – М.: Физматлит, 2003. – 784 с.
  22. Шапиро, Л. Компьютерное зрение / Л. Шапиро, Дж. Стокман. – М.: Бином, 2006. – 752 с.
  23. Гуревич, И.Б. Дескриптивные алгебры изображений: определения и примеры / И.Б. Гуревич, Ю.И. Журавлёв, Ю.Г. Сметанин // Автометрия. – 1999. – № 6. – С. 4-22.
  24. Ritter, G.X. Handbook of Computer Vision Algorithms in Image Algebra. 2-d Edition / G.X. Ritter, J.N. Wilson. – CRC Press Inc, 2001. – 425 р.

References:

  1. Kobayashi, N. Introduction to Nanothecnology / N. Kobayashi. – Мoscow: “Binom. Laboratoriya znaniy” Publisher, 2008. – 134 p. – (in Russian).
  2. Foster, L. Nanotechnology. Science. Innovation and Opportunity / L. Foster. – Мoscow: “Tehnosfera” Publisher, 2008. – 352 p. – (in Russian).
  3. VIGRA Computer Vision Library, http://hci.iwr.uni-heidelberg.de/vigra/
  4. GIMP, the GNU Image Manipulation Program, http://www.gimp.org/
  5. DigitalMicrograph™ , Gatan Microscopy Suite (GMS), http://gatan.com/products/software/
  6. Alberts, B. Molecular Biology of the Cell. 4th edition / B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis [et al.]. – New York: Garland Science, 2002 . – 1616 р.
  7. Egerton, R. Physical Principles of Electron Microscopy / Ray F. Egerton – Мoscow: “Tehnosfera” Publisher, 2010. – 304 p. – (in Russian).
  8. Schroeder, M. Fractals, Chaos, Power Laws: Minutes from an Infinite Paradise / M. Schroeder. – “Regulyarnaya i haoticheskaya dinamika” Publisher, 2005. – 528 p. – (in Russian).
  9. Reshetov, V.  Nanotechnologii ili atomy vmesto gvozdey / V. Reshetov // “Vokrug Sveta” (journal). – 2007. – N 4. – [http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/3107/]. – (in Russian).
  10. http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope
  11. http://en.wikipedia.org/wiki/Template:ButterflyScaleMicroscopy
  12. Clarke, A.R. Microscopy techniques for materials science / A.R. Clarke and C.N. Eberhardt. – Мoscow: “Tehnosfera” Publisher, 2007. – 367 p. – (in Russian).
  13. Weinstein, B.K. Electron Microscopy of Atomic Resolution / B.K. Weinstein // Uspehi fizicheskih nauk. – 1987. – V. 152, N 5. – P. 75-122. – (in Russian).
  14. Suvorov, E.V. Physical basis for experimental researches of the crystals real structure / E.V. Suvorov. – Tchernogolovka, 1999. – 232 p. – (in Russian).
  15. Umansky, Ya.C. Crystallography, Radiography and Electronic Microscopy / Ya.C. Umanskiy [et al.]. – Мoscow: “Metallurgiya” Publisher, 1982. – 632 p. – (in Russian).
  16. Egorov-Tismenko, Yu.К. Crystallography and Crystal Chemistry / Yu.K. Egorov-Tismenko. – Мoscow: “Knizhny Dom Universitet” Publisher, 2005. – 592 p. – (in Russian).
  17. Kupriyanov, A.V. Texture Analysis and Identification of the Crystal Lattice Type upon the Nanoscale Images / A.V. Kupriyanov // Computer Optics. – 2011. – V. 35, N 2. – P.145-151. – (in Russian).
  18. Conway, J. Sphere Packings, Lattices and Groups / J. Conway, N. Sloane. – Мoscow: “Mir” Publisher, 1990. – 376 p. – (in Russian).
  19. Korepanov, A.O. Method for Spatial Reconstruction of Coronary Arteries with the Usage of Small Quantity  of Angiographic Projections / A.O. Korepanov [et al.] // Computer Optics. – 2004. – N 26. – P. 90-98. – (in Russian).
  20. Ilyasova, N.Yu. Computer Technology for the Spatial Reconstruction of the Coronary Vessels Structure from Angiographic Projections / N.Yu. Ilyasova [et al.] // Computer Optic. – 2009. – V. 33, N 3. – P. 281-318. – (in Russian).
  21. Methods of Computer Images Processing / edited by V.A. Soifer. – Мoscow: “Fizmatlit” Publisher, 2003. – 784 p. – (in Russian).
  22. Shapiro, L. Computer Vision / L. Shapiro, G. Stockman. – Moscow: “Binom” Publisher, 2006. – 752 p. – (in Russian).
  23. Gurevich, I.B. Descriptive Image Algebras: Definitionns and Examples / I.B. Gurevich [et al.] // Avtometriya. – 1999. – N 6. – P. 4-22. – (in Russian).
  24. Ritter, G.X. Handbook of Computer Vision Algorithms in Image Algebra. 2-d Edition / G.X. Ritter, J.N. Wilson. – CRC Press Inc, 2001. – 425 р.
© 2009, ИСОИ РАН
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 332-56-22, факс: +7 (846) 332-56-20