KR102111124B1 - 무렌즈 단층 촬영 회절영상의 재구성방법 및 이 방법이 사용되는 휴대용 수질입자 분석장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 회절영상의 재구성방법 및 이 방법이 사용되는 휴대용 수질입자 분석장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재구성 과정의 반복 횟수를 줄일 수 있도록 하여 신속한 연산 처리 및 연산 처리에 대한 부하 경감이 가능하도록 하고, 재구성된 연산에 후처리를 실시하여 원본에 가까운 화질을 복원할 수 있도록 하는 무렌즈 단층 촬영 회절영상의 재구성방법 및 이 방법이 사용되는 휴대용 수질입자 분석장치에 관한 것이다.
Description
본 발명의 회절영상의 재구성방법 및 이 방법이 사용되는 휴대용 수질입자 분석장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재구성 과정의 반복 횟수를 줄일 수 있도록 하여 신속한 연산 처리 및 연산 처리에 대한 부하 경감이 가능하도록 하고, 재구성된 연산에 후처리를 실시하여 원본에 가까운 화질을 복원할 수 있도록 하는 무렌즈 단층 촬영 회절영상의 재구성방법 및 이 방법이 사용되는 휴대용 수질입자 분석장치에 관한 것이다.
광학 기술의 발전이 고속화되면서 고비용의 렌즈 없이도 아래 특허 문헌과 같이 고해상도의 이미지를 획득할 수 있는 기술이 개발되고 있으며, 이러한 무렌즈 촬영 기술은 CMOS, CCD 등에서 획득되는 회절 영상을 재구성하여 원본 영상에 가까운 이미지를 획득하도록 하고 있다.
따라서, 회절 영상을 재구성하는 과정에서 연산에 대한 대규모의 병렬처리가 이루어지게 되는데, 최근 기술의 발전에 따라 1천6백만 화소 이상의 초 고해상도 영상이 촬영될 수 있게 되어 병렬 처리되어야 할 연산의 양이 급격하게 증가한 상황이다.
그럼에도 현재는 2백만 화소수 이하의 기준에서 동작하였던 재구성 알고리즘을 그대로 사용하고 있으므로 회절 영상의 재구성이 많은 시간이 소요되고 있다.
특히 초고해상도의 영상 처리 기술은 수질을 분석하는 수질관리 분야 등 다양한 환경분야에 적극적으로 채용되고 있는데, 이를 활용한 휴대용 수질입자 분석장비의 개발도 활발하게 이루어지고 있다.
다만, 영상 처리 시간이 오래 걸려 신속한 수질입자의 분석이 이루어지지 못하고, 소형으로 제작되는 휴대용 수질입자 분석장비에 많은 부하와 전력 소모를 일으켜 실제 사용에 어려움을 겪고 있는 실정이다.
(특허문헌)
공개특허공보 제10-2018-0097679호(2018.08.31. 공개)"무렌즈 촬상에 의해 샘플을 관측하는 방법"
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,
본 발명은 반복위상재구성단계에서 반복 횟수를 줄일 수 있도록 하여 신속한 연산 처리가 가능하도록 하고, 그럼에도 후처리단계를 통해 원본에 가까운 화질을 복원할 수 있도록 하는 회절영상의 재구성방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 최종 복원된 영상에 경계 검출을 실시하도록 하여, 실제 시료의 형상을 이용한 객체 형상 분석으로의 이용이 가능하도록 함으로써, 빅데이터 및 디러닝 분야의 활용을 가능하도록 하는 회절영상의 재구성방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 광원 및 이미지센서의 용이한 교체가 가능한 휴대용 수질입자 분석장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 회절영상의 재구성방법은 촬영 대상인 시료를 촬영한 영상과 시료가 투입되지 않은 배경을 촬영한 회절영상을 불러오는 촬영정보로딩단계와; 상기 촬영정보로딩단계에서 불러온 영상을 이용하여 영상의 잡음을 제거하며, 잡음이 제거된 홀로그램 영상을 생성하는 전처리단계와; 상기 전처리단계에서 잡음이 제거된 영상을 사용하여 원 영상에 근접하도록 주파수와 시간축에서 컨볼루션하며, 설정된 횟수만큼 반복되는 반복위상재구성단계와; 상기 반복위상재구성단계에서 생성된 재구성 영상의 화질을 높이는 후처리단계;를 포함하며, 상기 반복위상재구성단계는 영상 전체에서 위상값이 실수 1.0을 초과하는 경우만 1.0으로 강제시키는 제약조건을 초기에 적용하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 회절영상의 재구성방법에 있어서, 상기 반복위상재구성단계는 복원을 원하는 회절영상을 주파수 축으로 전이하고, 전처리단계에서 생성된 홀로그램 영상과 컨볼루션하며, 이를 다시 시간 축으로 재전이하는 위상회복단계와; 초기 반복시 위상회복단계에서 생성된 영상에 제약조건을 적용하는 제약조건적용단계와; 상기 위상회복단계에서 생성된 영상에 제약조건이 적용된 영상을 컨볼루션하는 화질개선단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 회절영상의 재구성방법에 있어서, 상기 전처리단계는 영상의 촬영에 사용된 광원 정보에 따라 양 위상 및 음 위상의 홀로그램 영상을 생성하도록 하고, 상기 후처리단계는 상기 반복위상재구성단계에서 생성된 재구성 영상과 전처리단계에서 생성된 양 위상과 음 위상의 홀로그램 영상을 각각 컨볼루션하는 위상회복단계와; 상기 위상회복단계에서 생성된 영상 중 음 위상의 홀로그램이 적용된 재구성 영상의 반전 영상에 양 위상의 홀로그램이 적용된 재구성 영상의 절대값을 적용하여 복수회 투영시키는 최종복원단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 회절영상의 재구성방법에 있어서, 상기 후처리단계는 상기 최종복원단계에 의해 생성된 최종영상에 일정한 커널 크기의 소벨 경계 검출을 x,y 축 각각으로 수행하도록 하는 경계검출단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 휴대용 수질입자 분석장치는 밀폐공간에 수용된 시료에 빛을 조사하는 광원과; 광원이 통과하는 핀홀과; 시료를 통과한 빛으로부터 회절 영상을 생성하는 이미지센서와; 상기 이미지센서에 의해 생성된 회절 영상을 반복 재구성하여 위상이 회복된 원 영상을 복원하는 재구성처리부;를 포함하고, 상기 재구성처리부는 촬영 대상인 시료를 촬영한 영상과 시료가 투입되지 않은 배경을 촬영한 회절영상을 불러오는 촬영정보로딩모듈과; 상기 촬영정보로딩모듈에서 불러온 영상을 이용하여 영상의 잡음을 제거하며, 잡음이 제거된 홀로그램 영상을 생성하는 전처리모듈과; 상기 전처리모듈에서 잡음이 제거된 영상을 사용하여 원 영상에 근접하도록 주파수와 시간축에서 컨볼루션하며, 설정된 횟수만큼 반복되는 반복위상재구성모듈과; 상기 반복위상재구성모듈에서 생성된 재구성 영상의 화질을 높이는 후처리모듈;을 포함하며, 상기 반복위상재구성모듈은 영상 전체에서 위상값이 실수 1.0을 초과하는 경우만 1.0으로 강제시키는 제약조건을 초기에 적용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 휴대용 수질입자 분석장치는 상기 광원 및 핀홀을 착탈식으로 고정시키는 광원고정부와, 상기 이미지센서를 착탈식으로 고정시키는 센서고정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 휴대용 수질입자 분석장치에 있어서, 상기 광원고정부는 판 형상으로 형성되어 광원이 고정되는 광원고정판과, 핀홀이 형성되는 핀홀형성판과, 상기 광원고정판과 밀착되도록 형성되는 지지판과, 상기 광원고정판, 핀홀형성판, 지지판을 관통하도록 형성되는 관통홀을 포함하여, 관통홀에 삽입되는 결합부재에 의해 광원고정판, 핀홀형성판, 지지판이 착탈식으로 결합하도록 하고, 상기 센서고정부는 판 형상으로 형성되어 이미지센서 및 재구성처리부가 고정되는 센서지지판과, 상기 센서지지판을 관통하도록 형성되어 고정수단이 삽입되는 삽입홀을 포함하여, 센서지지판에 이미지센서 및 재구성처리부가 고정수단에 의해 착탈식으로 결합할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 반복위상재구성단계에서 반복 횟수를 줄일 수 있도록 하여 신속한 연산 처리가 가능하도록 하고, 그럼에도 후처리단계를 통해 원본에 가까운 화질을 복원할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 최종 복원된 영상에 경계 검출을 실시하도록 하여, 실제 시료의 형상을 이용한 객체 형상 분석으로의 이용이 가능하도록 함으로써, 빅데이터 및 디러닝 분야의 활용을 가능하도록 하는 효과가 있다.
본 발명은 휴대용 수질입자 분석장치에 사용되는 광원 및 이미지센서의 용이한 교체가 가능하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무렌즈 단층 촬영 회절영상의 재구성방법의 구성도
도 2는 도 1의 구체적인 과정을 나타내는 순서도
도 3은 도 1의 재구성방법이 사용되는 휴대용 수질입자 분석장치의 일 예를 나타내는 사시도
도 4는 도 3의 내부구조의 일 예를 나타내는 사시도
도 5는 도 3의 내부에 광원 및 이미지센서가 장착된 상태를 나타내는 단면도
도 6은 도 5의 광원고정부의 각 구성을 나타내는 단면도
도 7은 도 5의 센서지지판의 단면도
도 8은 도 5의 재구성처리부의 구성을 나타내는 블럭도
도 2는 도 1의 구체적인 과정을 나타내는 순서도
도 3은 도 1의 재구성방법이 사용되는 휴대용 수질입자 분석장치의 일 예를 나타내는 사시도
도 4는 도 3의 내부구조의 일 예를 나타내는 사시도
도 5는 도 3의 내부에 광원 및 이미지센서가 장착된 상태를 나타내는 단면도
도 6은 도 5의 광원고정부의 각 구성을 나타내는 단면도
도 7은 도 5의 센서지지판의 단면도
도 8은 도 5의 재구성처리부의 구성을 나타내는 블럭도
이하에서는 본 발명에 따른 무렌즈 단층 촬영 회절영상의 재구성방법 및 이 방법이 사용되는 휴대용 수질입자 분석장치의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하고, 또한 명세서에 기재된 "...부", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무렌즈 단층 촬영 회절영상의 재구성방법을 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 회절영상의 재구성방법은 촬영 대상인 시료를 촬영한 영상과 시료가 투입되지 않은 배경을 촬영한 회절영상을 불러오는 촬영정보로딩단계(S1)와; 상기 촬영정보로딩단계(S1)에서 불러온 영상을 이용하여 영상의 잡음을 제거하며, 잡음이 제거된 홀로그램 영상을 생성하는 전처리단계(S2)와; 상기 전처리단계(S2)에서 잡음이 제거된 영상을 사용하여 원 영상에 근접하도록 주파수와 시간축에서 컨볼루션하며, 설정된 횟수만큼 반복되는 반복위상재구성단계(S3)와; 상기 반복위상재구성단계(S3)에서 생성된 재구성 영상의 화질을 높이는 후처리단계(S4);를 포함한다.
본 발명에 따른 회절영상의 재구성방법은 렌즈 없이 광원의 조사와 디지털 이미지 센서의 측정을 통해 회절영상을 획득하고, 획득된 회절영상의 위상을 복원하여 원 영상에 가까운 이미지를 획득할 수 있도록 하는 재구성 처리 방법에 관한 것으로, 회절영상을 재구성하는 반복 연산처리에 있어서 그 반복횟수를 줄이도록 하여 연산처리에 대한 부담과 처리시간을 줄일 수 있도록 하며, 그럼에도 원 영상에 가까운 화잘로 복원될 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기 회절영상의 재구성방법은 다양한 광학 영상장치에 사용될 수 있으나, 특히 도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같은 휴대용 수질입자 분석장치(A)에 사용되도록 할 수 있다. 휴대용 수질입자 분석장치(A)는 현장에서 직접 물과 같은 시료를 수용하여 시료에 포함된 입자들을 분석하도록 하는 것으로, 장치의 소형화가 가능해야 하고 입자의 신속한 분석 또한 가능해야 한다. 따라서, 입자의 분석을 위한 연산처리가 많은 경우 장치가 비대해지고 많은 열이 발생하여 소형화가 어렵고 신속한 분석이 어렵게 된다. 따라서, 본 발명에서는 연산처리의 시간을 줄여 휴대용 수질입자 분석장치(A)의 소형화 및 신속한 분석이 가능하도록 하면서도, 화질을 개선하여 원본 영상에 가까운 재구성 영상을 얻을 수 있도록 한다. 뿐만 아니라, 상기 휴대용 수질입자 분석장치(A)는 렌즈 없이 설계되는 것은 저렴한 비용으로 제작될 수 있다.
본 재구성방법이 적용되는 휴대용 수질입자 분석장치(A)에 관하여 관략하게 설명하면, 상기 휴대용 수질입자 분석장치(A)는 도 3에 도시된 바와 같이 소형의 박스 형태로 형성될 수 있으며, 그 상단에는 디스플레이(19)가 설치되어 촬영되는 영상을 확인할 수 있도록 한다. 또한, 휴대용 수질입자 분석장치(A)의 내부에는 광원(14)으로부터 led 등의 빛이 조사되도록 하고, 광원(14)으로부터 조사된 빛은 핀홀(15)을 통해 밀폐공간(16) 내의 시료로 조사되며, 시료를 통과한 빛은 이미지센서(17)에 의해 측정되어 회절영상이 생성된다. 그리고 이미지센서(17)에 의해 생성된 회절영상은 재구성처리부(18)를 통해 재구성되어 원본 영상에 가까운 영상을 복원하도록 한다.
따라서, 본 발명에 따른 재구성방법은 재구성처리부(18)에 의해 처리되는 것으로, 재구성처리부(18)는 촬영정보로딩부(181), 전처리부(182), 반복위상재구성부(183), 후처리부(184)를 포함할 수 있으며, 재구성방법의 촬영정보로딩단계(S1), 전처리단계(S2), 반복위상재구성단계(S3), 후처리단계(S4)는 각각 촬영정보로딩부(181), 전처리부(182), 반복위상재구성부(183), 후처리부(184)에 의해 처리되도록 할 수 있다.
상기 촬영정보로딩단계(S1)은 이미지센서(17)에 의해 측정된 회절영상을 불러오는 단계로, 시료가 투입된 다음 광원의 조사를 통해 촬영된 영상과 시료의 투입전 촬영된 배경 영상을 불러오도록 하여 시료 영상의 잡음을 제거할 수 있도록 한다.
상기 전처리단계(S2)는 회절영상에 존재하는 불필요한 잡음을 제거하며, 입사광의 정보에 따라 홀로그램 영상을 생성하는 단계로, 잡음제거단계(S21), 홀로그램영상생성단계(S22), 영상복제단계(S23)를 포함할 수 있다.
상기 잡음제거단계(S21)는 회절영상에서 불필요한 잡음을 제거하도록 하며, 아래 [수학식 1]에 의해 잡음이 제거되도록 할 수 있다.
[수학식 1]
여기서 f(x)는 시료가 투입된 영상, g(x)는 시료가 투입되지 않은 배경영상, y(x)는 잡음이 제거된 영상을 말하며, N은 영상의 화소 개수를 나타낸다.
상기 홀로그램영상생성단계(S22)는 잡음이 제거된 회절영상을 이용하여 홀로그램 영상을 생성하는 단계로, 입사광의 정보에 따라 양 위상과 음 위상의 홀로그램 영상을 생성하도록 한다. 여기서 입사광의 정보는 광원의 파장, 핀홀(15)의 크기, 핀홀(15)과 이미지센서(17) 사이의 거리를 포함할 수 있다. 상기 홀로그램영상생성단계(S22)는 CUDA KERNEL 등을 이용하여 홀로그램 영상을 생성하도록 할 수 있으며, 그 밖에 공지된 홀로그램 영상 생성 알고리즘을 이용하여 홀로그램 영상이 생성되도록 할 수 있다.
상기 영상복제단계(S23)는 홀로그램영상생성단계(S22)에 의해 생성된 홀로그램 영상을 복제하는 단계로, 홀로그램 영상을 복제하여 반복위상재구성단계(S3), 후처리단계(S4)에서 위상의 복원 및 화질의 개선을 위해 홀로그램 영상이 사용되도록 할 수 있다.
상기 반복위상재구성단계(S3)는 반복 연산을 통해 회절영상의 위상을 회복하는 단계로, 본 발명 특유의 초기 제약조건을 설정하도록 하여 종래 대비 획기적으로 반복 횟수를 줄일 수 있도록 하였다. 이를 위해, 상기 반복위상재구성단계(S3)는 컨볼루션 연산을 반복적으로 실행하는 위상회복단계(S31), 제약조건을 적용하는 제약조건적용단계(S32), 영상의 화질을 개선하는 화질개선단계(S33)를 포함할 수 있다.
상기 위상회복단계(S31)는 설정된 반복횟수만큼 컨볼루션 연산을 수행하여 위상을 회복하도록 하는 단계로, 복원을 원하는 회절 영상을 주파수 축으로 전이한 뒤, 홀로그램영상생성단계(S22)에서 생성된 홀로그램 영상을 컨볼루션 하도록 하고, 이를 통해 홀로그램 영역이 점차 부각되어 나타나도록 할 수 있다. 그리고 연산이 완료된 직후에는 주파수 축으로 전이되어 있던 영상을 시간 축으로 재전이 하도록 한다.
상기 제약조건적용단계(S32)는 상기 위상회복단계(S31)에 의한 반복 연산에 초기 제약조건을 적용하는 단계로, 영상 전체에서 위상값이 실수 1.0을 초과하는 경우만 1.0으로 강제시키고 나머지 위상값을 원본을 따르도록 한다. 종래에는 표준편차 연산을 각 화소에 적용하여 시료의 영역을 1로 설정하도록 하였으나, 시료의 크기를 특정하기 어려운 환경에서는 적용하는 것이 까다로웠다. 따라서, 본 발명에서는 초기 제약조건을 위상값에 따라 1을 초과하는 경우에만 1로 강제하도록 함으로써 반복되는 횟수를 줄여 연산 시간을 단축하고 연산에 사용되는 자원을 감소시킬 수 있도록 하였다.
상기 화질개선단계(S33)는 상기 위상회복단계(S31)에 의해 생성되는 재구성 영상에 제약조건이 적용된 영상을 컨볼루션 하는 단계로, 위상이 일부 회복된 영상의 화질을 개선할 수 있도록 한다. 상기 화질개선단계(S33)를 거친 영상은 위상회복단계(S31)에 의해 홀로그램 영상과의 컨벌루션이 설정된 횟수만큼 반복된다.
상기 후처리단계(S4)는 반복위상재구성단계(S3)에 의해 생성된 재구성 영상을 화질을 개선하는 단계로 홀로그램 영상을 이용한 투영을 통해 최종적으로 광학 현미경의 영상에 근접한 영상을 도출하도록 한다. 따라서, 본 발명은 반복위상재구성단계(S3)에서 제약조건의 적용을 통해 연산의 반복횟수를 줄이면서도 화질을 회복시켜 원본 영상에 가까운 영상을 얻을 수 있도록 하였다. 또한, 상기 후처리단계(S4)는 최종 도출된 영상에 대해 경계 검출을 수행하도록 함으로써, 실제 시료의 형상을 이용하여 객체 형상 분석 등에 이용할 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 후처리단계(S4)는 원본위상포함단계(S41), 최종복원단계(S42), 경계검출단계(S43)를 포함할 수 있다.
상기 원본위상포함단계(S41)는 원본 영상의 위상을 회복하도록 하기 위해, 재구성된 영상에 홀로그램 영상을 컨볼루션 하는 단계로, 음 위상의 홀로그램 영상과 양 위상의 홀로그램 영상 각각에 재구성된 영상을 컨볼루션 하도록 한다.
상기 최종복원단계(S42)는 상기 원본위상포함단계(S41)에서 원본의 위상이 포함된 영상들의 투영을 통해 최종 영상을 도출하도록 하는 단계로, 먼저 음 위상의 홀로그램 영상과 컨볼루션된 재구성 영상을 반전시켜 낮은 가시성을 회복할 수 있도록 하고, 반전된 영상에 양 위상의 홀로그램 영상과 컨볼루션된 재구성 영상의 절대값을 적용하여 복수회 투영시키도록 하며, 바람직하게는 2회 투영시키도록 할 수 있다.
상기 경계검출단계(S43)는 최종복원단계(S42)에 의해 최종 도출된 영상에 경계 검출을 수행하는 단계로, 일 예로 소벨 경계 검출을 수행하도록 할 수 있다. 상기 경계검출단계(S43)는 일 예로 커널 크기 3의 소벨 경계 검출을 x,y 축으로 각각 수행하도록 할 수 있으며, 이를 통해 실제 시료의 형상을 이용할 수 있도록 하고, 빅데이터 및 딥러닝 분야에서 객체 형상 분석을 이용한 활용이 가능할 수 있도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무렌즈 단층 회절영상의 재구성방법이 사용되는 휴대용 수질입자 분석장치(A)에 관해 도 3 내지 도 8을 참조하여 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 휴대용 수질입자 분석장치(A)는 광원(14)을 착탈식으로 고정하는 광원고정부(10), 이미지센서(17)를 착탈식으로 고정하는 센서고정부(11), 광원고정부(10) 및 센서고정부(11)를 지지하는 기둥(12), 기둥(12) 사이를 지지하며 밀폐공간을 형성하는 지지판넬(13), 광원(14), 핀홀(15), 밀폐공간(16), 이미지센서(17), 재구성처리부(18), 디스플레이(19)를 포함할 수 있다.
상기 광원고정부(10)는 시료에 빛을 조사하는 광원(14)에 관련된 구성들을 분석장치(A) 내에 착탈식으로 고정시키는 구성으로, 광원(14)의 종류 및 크기에 따라, 그리고 핀홀(15)의 크기에 따라 손쉽게 광원(14) 및 핀홀(15)을 변경할 수 있도록 한다. 따라서, 휴대용 수질입자 분석장치(A)가 사용되는 환경 및 대상시료에 따라 다양한 광원(14)과 빛의 조사 정도를 조절하도록 할 수 있다. 이를 위해, 상기 광원고정부(10)는 도 6에 도시된 바와 같이 광원(14)이 고정되는 광원고정판(101), 핀홀(15)이 형성되는 핀홀형성판(102), 광원고정판(101) 및 핀홀형성판(102)을 지지하는 지지판(103), 광원고정판(101), 핀홀형성판(102), 지지판(103)을 관통하도록 형성되어 별도의 결합부재(미도시)에 의해 체결되도록 하는 관통홀(104)을 포함할 수 있다.
상기 광원고정판(101)에는 광원(14)이 고정되어 삽입되며, 핀홀형성판(102)에는 중앙에 핀홀(15)이 형성되고, 광원고정판(101) 및 핀홀형성판(102)은 도 5에 도시된 바와 같이 지지판(103)에 밀착되어 고정된다. 이때, 상기 광원고정판(101) 및 핀홀형성판(102)은 볼트 등으로 형성되는 결합부재(미도시)에 의해 지지판(103)에 착탈식으로 결합되므로, 광원(14) 또는 핀홀(15)의 교체 필요시 손쉽게 광원고정판(101) 및 핀홀형성판(102)을 지지판(103)으로부터 분리하여 광원(14) 또는 핀홀(15)의 교체가 이루어지도록 할 수 있다.
상기 센서고정부(11)는 이미지센서(17)를 착탈식으로 고정하는 구성으로, 이미지센서(17)를 지지하는 센서지지판(111)과 센서지지판(111)에 관통 형성되는 삽입홀(112)을 포함할 수 있다. 따라서, 이미지센서(17)는 센서지지판(111)에 밀착되어 삽입홀(112)을 관통하는 볼트 등의 고정수단(미도시)에 의해 착탈식으로 고정될 수 있다. 또한, 센서지지판(111)의 하측으로는 재구성처리부(18)도 함께 고정수단(미도시)에 의해 고정되도록 할 수 있으며, 이미지센서(17) 또는 재구성처리부(18)의 교체시 손쉽게 센서지지판(111)으로부터 이미지센서(17) 또는 재구성처리부(18)를 분리하도록 할 수 있다.
상기 기둥(12)은 상하 방향으로 형성되며, 상기 광원고정부(10) 및 센서고정부(11)를 지지하도록 한다.
상기 지지판넬(13)은 기둥(12) 사이와 광원고정부(10) 및 센서고정부(11) 측면에 형성되어 분석장치(A)의 내부를 밀폐하도록 한다.
상기 광원(14), 핀홀(15), 밀폐공간(16), 이미지센서(17), 디스플레이(19)는 앞서 재구성방법에서 간략하게 설명한 바와 같다.
상기 재구성처리부(18)는 회절영상의 위상을 회복하여 원본영상이 재구성되도록 하는 구성으로, 촬영정보로딩부(181), 전처리부(182), 반복위상재구성부(183), 후처리부(184)를 포함한다.
상기 촬영정보로딩부(181)는 이미지센서(17)에 의해 측정된 회절영상을 불러오는 구성으로, 시료가 투입된 다음 광원의 조사를 통해 촬영된 영상과 시료의 투입전 촬영된 배경 영상을 불러오도록 하여 시료 영상의 잡음을 제거할 수 있도록 한다.
상기 전처리부(182)는 회절영상에 존재하는 불필요한 잡음을 제거하며, 입사광의 정보에 따라 홀로그램 영상을 생성하는 구성으로, 잡음제거모듈(182a), 홀로그램영상생성모듈(182b), 영상복제모듈(182c)을 포함할 수 있다.
상기 잡음제거모듈(182a)은 회절영상에서 불필요한 잡음을 제거하도록 하며, [수학식 1]에 의해 잡음이 제거되도록 할 수 있다.
상기 홀로그램영상생성모듈(182b)은 잡음이 제거된 회절영상을 이용하여 홀로그램 영상을 생성하는 구성으로, 입사광의 정보에 따라 양 위상과 음 위상의 홀로그램 영상을 생성하도록 한다. 여기서 입사광의 정보는 광원의 파장, 핀홀(15)의 크기, 핀홀(15)과 이미지센서(17) 사이의 거리를 포함할 수 있다. 상기 홀로그램영상생성모듈(182b)은 CUDA KERNEL 등을 이용하여 홀로그램 영상을 생성하도록 할 수 있으며, 그 밖에 공지된 홀로그램 영상 생성 알고리즘을 이용하여 홀로그램 영상이 생성되도록 할 수 있다.
상기 영상복제모듈(182c)은 홀로그램영상생성모듈(182b)에 의해 생성된 홀로그램 영상을 복제하는 구성으로, 홀로그램 영상을 복제하여 반복위상재구성부(183), 후처리부(184)에서 위상의 복원 및 화질의 개선을 위해 홀로그램 영상이 사용되도록 할 수 있다.
상기 반복위상재구성부(183)는 반복 연산을 통해 회절영상의 위상을 회복하는 구성으로, 본 발명 특유의 초기 제약조건을 설정하도록 하여 종래 대비 획기적으로 반복 횟수를 줄일 수 있도록 하였다. 이를 위해, 상기 반복위상재구성부(183)는 컨볼루션 연산을 반복적으로 실행하는 위상회복모듈(183a), 제약조건을 적용하는 제약조건적용모듈(183b), 영상의 화질을 개선하는 화질개선모듈(183c)을 포함할 수 있다.
상기 위상회복모듈(183a)은 설정된 반복횟수만큼 컨볼루션 연산을 수행하여 위상을 회복하도록 하는 구성으로, 복원을 원하는 회절 영상을 주파수 축으로 전이한 뒤, 홀로그램영상생성모듈(182b)에서 생성된 홀로그램 영상을 컨볼루션 하도록 하고, 이를 통해 홀로그램 영역이 점차 부각되어 나타나도록 할 수 있다. 그리고 연산이 완료된 직후에는 주파수 축으로 전이되어 있던 영상을 시간 축으로 재전이 하도록 한다.
상기 제약조건적용모듈(183b)은 상기 위상회복모듈(183a)에 의한 반복 연산에 초기 제약조건을 적용하는 구성으로, 영상 전체에서 위상값이 실수 1.0을 초과하는 경우만 1.0으로 강제시키고 나머지 위상값을 원본을 따르도록 한다. 종래에는 표준편차 연산을 각 화소에 적용하여 시료의 영역을 1로 설정하도록 하였으나, 시료의 크기를 특정하기 어려운 환경에서는 적용하는 것이 까다로웠다. 따라서, 본 발명에서는 초기 제약조건을 위상값에 따라 1을 초과하는 경우에만 1로 강제하도록 함으로써 반복되는 횟수를 줄여 연산 시간을 단축하고 연산에 사용되는 자원을 감소시킬 수 있도록 하였다.
상기 화질개선모듈(183c)은 상기 위상회복모듈(183a)에 의해 생성되는 재구성 영상에 제약조건이 적용된 영상을 컨볼루션 하는 구성으로, 위상이 일부 회복된 영상의 화질을 개선할 수 있도록 한다. 상기 화질개선모듈(183c)을 거친 영상은 위상회복모듈(183a)에 의해 홀로그램 영상과의 컨벌루션이 설정된 횟수만큼 반복된다.
상기 후처리부(184)는 반복위상재구성부(183)에 의해 생성된 재구성 영상을 화질을 개선하는 구성으로 홀로그램 영상을 이용한 투영을 통해 최종적으로 광학 현미경의 영상에 근접한 영상을 도출하도록 한다. 따라서, 본 발명은 반복위상재구성부(183)에서 제약조건의 적용을 통해 연산의 반복횟수를 줄이면서도 화질을 회복시켜 원본 영상에 가까운 영상을 얻을 수 있도록 하였다. 또한, 상기 후처리부(184)는 최종 도출된 영상에 대해 경계 검출을 수행하도록 함으로써, 실제 시료의 형상을 이용하여 객체 형상 분석 등에 이용할 수 있도록 한다. 이를 위해, 상기 후처리부(184)는 원본위상포함모듈(184a), 최종복원모듈(184b), 경계검출모듈(184c)을 포함할 수 있다.
상기 원본위상포함모듈(184a)운 원본 영상의 위상을 회복하도록 하기 위해, 재구성된 영상에 홀로그램 영상을 컨볼루션 하는 구성으로, 음 위상의 홀로그램 영상과 양 위상의 홀로그램 영상 각각에 재구성된 영상을 컨볼루션 하도록 한다.
상기 최종복원모듈(184b)은 상기 원본위상포함모듈(184a)에서 원본의 위상이 포함된 영상들의 투영을 통해 최종 영상을 도출하도록 하는 구성으로, 먼저 음 위상의 홀로그램 영상과 컨볼루션된 재구성 영상을 반전시켜 낮은 가시성을 회복할 수 있도록 하고, 반전된 영상에 양 위상의 홀로그램 영상과 컨볼루션된 재구성 영상의 절대값을 적용하여 복수회 투영시키도록 하며, 바람직하게는 2회 투영시키도록 할 수 있다.
상기 경계검출모듈(184c)은 최종복원모듈(184b)에 의해 최종 도출된 영상에 경계 검출을 수행하는 구성으로, 일 예로 소벨 경계 검출을 수행하도록 할 수 있다. 상기 경계검출모듈(184c)은 일 예로 커널 크기 3의 소벨 경계 검출을 x,y 축으로 각각 수행하도록 할 수 있으며, 이를 통해 실제 시료의 형상을 이용할 수 있도록 하고, 빅데이터 및 딥러닝 분야에서 객체 형상 분석을 이용한 활용이 가능할 수 있도록 한다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
S1: 촬영정보로딩단계
S2: 전처리단계 S21: 잡음제거단계 S22: 홀로그램영상생성단계
S23: 영상복제단계 S3: 반복위상재구성단계 S31: 위상회복단계
S32: 제약조건적용단계 S33: 화질개선단계 S4: 후처리단계
S41: 원본위상포함단계 S42: 최종복원단계 S43: 경계검출단계
A: 휴대용 수질입자 분석장치
10: 광원고정부 101: 광원고정판 102: 핀홀형성판
103: 지지판 104: 관통홀 11: 센서고정부
111: 센서지지판 112: 삽입홀 12: 기둥 13: 지지판넬
14: 광원 15: 핀홀 16: 밀폐공간
17: 이미지센서 18: 재구성처리부 181: 촬영정보로딩부
182: 전처리부 183: 반복위상재구성부 184: 후처리부
19: 디스플레이
S2: 전처리단계 S21: 잡음제거단계 S22: 홀로그램영상생성단계
S23: 영상복제단계 S3: 반복위상재구성단계 S31: 위상회복단계
S32: 제약조건적용단계 S33: 화질개선단계 S4: 후처리단계
S41: 원본위상포함단계 S42: 최종복원단계 S43: 경계검출단계
A: 휴대용 수질입자 분석장치
10: 광원고정부 101: 광원고정판 102: 핀홀형성판
103: 지지판 104: 관통홀 11: 센서고정부
111: 센서지지판 112: 삽입홀 12: 기둥 13: 지지판넬
14: 광원 15: 핀홀 16: 밀폐공간
17: 이미지센서 18: 재구성처리부 181: 촬영정보로딩부
182: 전처리부 183: 반복위상재구성부 184: 후처리부
19: 디스플레이
Claims (7)
- 촬영 대상인 시료를 촬영한 영상과 시료가 투입되지 않은 배경을 촬영한 회절영상을 불러오는 촬영정보로딩단계와;
상기 촬영정보로딩단계에서 불러온 영상을 이용하여 영상의 잡음을 제거하며, 잡음이 제거된 홀로그램 영상을 생성하는 전처리단계와;
상기 전처리단계에서 잡음이 제거된 영상을 사용하여 원 영상에 근접하도록 주파수와 시간축에서 컨볼루션하며, 설정된 횟수만큼 반복되는 반복위상재구성단계와;
상기 반복위상재구성단계에서 생성된 재구성 영상의 화질을 높이는 후처리단계;를 포함하며,
상기 반복위상재구성단계는 영상 전체에서 위상값이 실수 1.0을 초과하는 경우만 1.0으로 강제시키는 제약조건을 초기에 적용하도록 하는 것을 특징으로 하는 회절영상의 재구성방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 반복위상재구성단계는
복원을 원하는 회절영상을 주파수 축으로 전이하고, 전처리단계에서 생성된 홀로그램 영상과 컨볼루션하며, 이를 다시 시간 축으로 재전이하는 위상회복단계와;
초기 반복시 위상회복단계에서 생성된 영상에 제약조건을 적용하는 제약조건적용단계와;
상기 위상회복단계에서 생성된 영상에 제약조건이 적용된 영상을 컨볼루션하는 화질개선단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절영상의 재구성방법. - 제 2 항에 있어서, 상기 전처리단계는
영상의 촬영에 사용된 광원 정보에 따라 양 위상 및 음 위상의 홀로그램 영상을 생성하도록 하고,
상기 후처리단계는,
상기 반복위상재구성단계에서 생성된 재구성 영상과 전처리단계에서 생성된 양 위상과 음 위상의 홀로그램 영상을 각각 컨볼루션하는 위상회복단계와;
상기 위상회복단계에서 생성된 영상 중 음 위상의 홀로그램이 적용된 재구성 영상의 반전 영상에 양 위상의 홀로그램이 적용된 재구성 영상의 절대값을 적용하여 복수회 투영시키는 최종복원단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절영상의 재구성방법. - 제 3 항에 있어서, 상기 후처리단계는
상기 최종복원단계에 의해 생성된 최종영상에 일정한 커널 크기의 소벨 경계 검출을 x,y 축 각각으로 수행하도록 하는 경계검출단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절영상의 재구성방법. - 밀폐공간에 수용된 시료에 빛을 조사하는 광원과;
광원이 통과하는 핀홀과;
시료를 통과한 빛으로부터 회절 영상을 생성하는 이미지센서와;
상기 이미지센서에 의해 생성된 회절 영상을 반복 재구성하여 위상이 회복된 원 영상을 복원하는 재구성처리부;를 포함하고,
상기 재구성처리부는,
촬영 대상인 시료를 촬영한 영상과 시료가 투입되지 않은 배경을 촬영한 회절영상을 불러오는 촬영정보로딩모듈과; 상기 촬영정보로딩모듈에서 불러온 영상을 이용하여 영상의 잡음을 제거하며, 잡음이 제거된 홀로그램 영상을 생성하는 전처리모듈과; 상기 전처리모듈에서 잡음이 제거된 영상을 사용하여 원 영상에 근접하도록 주파수와 시간축에서 컨볼루션하며, 설정된 횟수만큼 반복되는 반복위상재구성모듈과; 상기 반복위상재구성모듈에서 생성된 재구성 영상의 화질을 높이는 후처리모듈;을 포함하며,
상기 반복위상재구성모듈은 영상 전체에서 위상값이 실수 1.0을 초과하는 경우만 1.0으로 강제시키는 제약조건을 초기에 적용하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수질입자 분석장치. - 제 5 항에 있어서, 상기 휴대용 수질입자 분석장치는
상기 광원 및 핀홀을 착탈식으로 고정시키는 광원고정부와, 상기 이미지센서를 착탈식으로 고정시키는 센서고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수질입자 분석장치. - 제 6 항에 있어서, 상기 광원고정부는
판 형상으로 형성되어 광원이 고정되는 광원고정판과, 핀홀이 형성되는 핀홀형성판과, 상기 광원고정판과 밀착되도록 형성되는 지지판과, 상기 광원고정판, 핀홀형성판, 지지판을 관통하도록 형성되는 관통홀을 포함하여, 관통홀에 삽입되는 결합부재에 의해 광원고정판, 핀홀형성판, 지지판이 착탈식으로 결합하도록 하고,
상기 센서고정부는,
판 형상으로 형성되어 이미지센서 및 재구성처리부가 고정되는 센서지지판과, 상기 센서지지판을 관통하도록 형성되어 고정수단이 삽입되는 삽입홀을 포함하여, 센서지지판에 이미지센서 및 재구성처리부가 고정수단에 의해 착탈식으로 결합할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 휴대용 수질입자 분석장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020190062736A KR102111124B1 (ko) | 2019-05-28 | 2019-05-28 | 무렌즈 단층 촬영 회절영상의 재구성방법 및 이 방법이 사용되는 휴대용 수질입자 분석장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190062736A KR102111124B1 (ko) | 2019-05-28 | 2019-05-28 | 무렌즈 단층 촬영 회절영상의 재구성방법 및 이 방법이 사용되는 휴대용 수질입자 분석장치 |
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|---|---|
| KR102111124B1 true KR102111124B1 (ko) | 2020-05-15 |
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ID=70678930
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190062736A KR102111124B1 (ko) | 2019-05-28 | 2019-05-28 | 무렌즈 단층 촬영 회절영상의 재구성방법 및 이 방법이 사용되는 휴대용 수질입자 분석장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102111124B1 (ko) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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