本發(fā)明涉及納米光學(xué)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及二維表面等離子體最佳激發(fā)角特征提取的方法。

背景技術(shù)：

表面等離子體(surfaceplasmonresonance，spr)是金屬表面的自由電子流在外部電場(chǎng)如電子流或入射光場(chǎng)等的作用下進(jìn)行規(guī)則的振蕩運(yùn)動(dòng)而形成的一種表面電磁波，能夠納米薄膜或結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確地定量表征，在生物醫(yī)學(xué)、材料、化學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。常用的spr耦合方法有棱鏡式和高數(shù)值孔徑(na)油浸顯微物鏡耦合兩種，其中棱鏡耦合spr技術(shù)對(duì)應(yīng)的spr最佳激發(fā)角特征通常是一條黑色的光帶，識(shí)別方式簡(jiǎn)單且已相對(duì)成熟。顯微物鏡耦合spr技術(shù)是一種新型的高分辨率納米檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)橫向結(jié)構(gòu)在亞納米尺度的高分辨率檢測(cè)，其對(duì)應(yīng)的spr最佳激發(fā)角特征是包含在系統(tǒng)通光孔徑內(nèi)的一個(gè)二維圓環(huán)(徑向偏振入射)或圓弧(線性偏振入射)吸收帶。針對(duì)這一類(lèi)型的二維spr最佳激發(fā)角圖譜，目前通常采用人工識(shí)別或者進(jìn)行一維粗略識(shí)別的方法。本發(fā)明提出了一種二維spr最佳激發(fā)角位置高精度自動(dòng)識(shí)別方法，能夠?qū)ΧS的通光孔徑邊界和spr最佳激發(fā)角圖譜位置分別進(jìn)行精確的定位和識(shí)別，通過(guò)該方法，能對(duì)后焦面上最佳激發(fā)角的位置信息進(jìn)行全面的提取，對(duì)比傳統(tǒng)的對(duì)通光孔徑半徑方向的一維提取，該方法具有精度高、可以完成對(duì)后焦面信息全面提取以及能實(shí)現(xiàn)大批量圖像的全自動(dòng)快速識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

目前對(duì)后焦面圖像的處理通常采用人工識(shí)別或者進(jìn)行一維粗略識(shí)別的方法，操作繁瑣且難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化地高精度檢測(cè)。為解決二維spr最佳激發(fā)角位置的精確識(shí)別問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高精度的spr最佳激發(fā)角位置自動(dòng)識(shí)別方法。

(二)技術(shù)方案

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供如下的方案：

步驟1：獲得圖像傳感器采集的后焦面圖像數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)為雙精度圖像數(shù)據(jù)矩陣并進(jìn)行歸一化處理；

步驟2：歸一化后的圖像分成不同的子塊，進(jìn)行全局閾值與局部閾值相結(jié)合的二值化處理，以此保證二值化后的通光孔徑清晰區(qū)別于通光孔徑外部分；以二值化之后圖像的左上角為原點(diǎn)，x、y軸正方向分別為右、下方向建立坐標(biāo)系；

步驟3：采用霍夫變換對(duì)通光孔徑邊界進(jìn)行粗定位，檢測(cè)到通光孔徑的圓心(x0,y0)和半徑r0，依據(jù)此粗定位結(jié)果，以圓心為中心，取裕量δr并以2(r0+δr)為邊長(zhǎng)w，將原始圖像裁剪為w×w大小的正方形圖像，裁減掉大量通光孔徑外部分，建立以新的正方形矩陣左上角為原點(diǎn)的新坐標(biāo)系；

步驟4：對(duì)裁剪后圖像進(jìn)行局部二值化處理，使通光孔徑明顯區(qū)分于通光孔徑外部分。局部二值化時(shí)需設(shè)置圖像分塊大小，將圖像分為n個(gè)區(qū)域并單獨(dú)設(shè)置閾值，以此保證二值化后通光孔徑圓斑的輪廓清晰，減小背景噪聲的影響。對(duì)二值化結(jié)果直接進(jìn)行霍夫變換，即可得到通光孔徑邊界的精密位置；

步驟5：將通光孔徑邊界與spr最佳激發(fā)角所在圓兩圓視為同心，計(jì)算通光孔徑內(nèi)部沿半徑方向的灰度值分布，得到spr最佳激發(fā)角附近灰度值有一個(gè)明顯的凹陷，此處即為spr最佳激發(fā)角所在圓的粗略半徑，得到粗估計(jì)值r2；

步驟6：通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理、腐蝕、去除連通性差的像素點(diǎn)、劃定采樣范圍，完成spr最佳激發(fā)角所在圓附近像素的坐標(biāo)及灰度值提??；進(jìn)一步的，所述提取的具體方法是：

步驟6.1：對(duì)原始圖像選擇新的分塊大小進(jìn)行局部二值化處理，以使spr最佳激發(fā)角特征更明顯；

步驟6.2：將二值化結(jié)果反色，根據(jù)步驟4中確定的通光孔徑邊界，將反色后圖像邊界之外的部分灰度值全部置零；

步驟6.3：設(shè)計(jì)形態(tài)結(jié)構(gòu)元素，對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行形態(tài)學(xué)腐蝕，選取半徑為r的圓盤(pán)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕，刪除連通區(qū)域邊界附近的孤立像素點(diǎn)；

步驟6.4：選取閾值p，移除連通性小于p的像素點(diǎn)，p的選取應(yīng)與實(shí)際圖像結(jié)合，保證與spr最佳激發(fā)角無(wú)關(guān)的區(qū)域被盡可能多地移除；

步驟6.5：通光孔徑邊界與spr最佳激發(fā)角所在圓兩圓視為同心，基于步驟5中得到的最佳激發(fā)角所對(duì)應(yīng)圓環(huán)的半徑粗估計(jì)結(jié)果r2，取裕量δr1，保留6.4結(jié)果中半徑在r2±δr1范圍內(nèi)的圖像，其余部分灰度值全部置零。

步驟7：基于最佳激發(fā)角所在圓附近像素的坐標(biāo)及灰度值提取的結(jié)果，可以得到圖像中提取出的spr最佳激發(fā)角區(qū)域在已建立坐標(biāo)系上的坐標(biāo)，利用最小二乘方法，結(jié)合圓上點(diǎn)的坐標(biāo)求解得到spr最佳激發(fā)角所在圓的圓心和半徑。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征。本方法能對(duì)后焦面的信息進(jìn)行全面的提取，對(duì)比傳統(tǒng)的對(duì)通光孔徑半徑方向的一維提取，該方法具有精度高、能夠自動(dòng)識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，此外，該方法還能實(shí)現(xiàn)大批量圖像的全自動(dòng)快速識(shí)別，解決了二維表面等離子體技術(shù)在超顯微分辨領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。

附圖說(shuō)明

圖1是二維表面等離子體最佳激發(fā)角位置的高精度識(shí)別方法的操作流程。

圖2是與透鏡后焦面共軛的位置上圖像傳感器采集的通光孔徑圖像原始數(shù)據(jù)；

圖3是原始數(shù)據(jù)經(jīng)全局閾值與局部閾值結(jié)合的二值化方法處理后生成的圖像數(shù)據(jù)；

圖4是對(duì)通光孔徑進(jìn)行霍夫變換得到的通光孔徑邊界粗略位置；

圖5是對(duì)圖4所示圖像的裁剪后圖像數(shù)據(jù)；

圖6是裁剪后圖像的經(jīng)局部二值化后的圖像數(shù)據(jù)；

圖7是通光孔徑位置精確檢測(cè)結(jié)果；

圖8是通光孔徑的徑向灰度值分布，其中橫軸為歸一化的半徑值，縱軸為相同半徑像素灰度累加值，r2處為檢測(cè)到spr最佳激發(fā)角的粗略位置；

圖9是spr最佳激發(fā)角提取流程，其中第一步是進(jìn)行二值圖像反色，第二步是對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕，第三步是移除連通性較小的像素，最后得到spr最佳激發(fā)角提取結(jié)果；

圖10是測(cè)得通光孔徑邊界和spr最佳激發(fā)角精密位置；

圖11是使用徑向偏振光激發(fā)表面等離子體時(shí)，與透鏡后焦面共軛的位置上圖像傳感器采集的通光孔徑圖像原始數(shù)據(jù)；

圖12是測(cè)得徑向偏振模態(tài)下的通光孔徑邊界和spr最佳激發(fā)角精密位置；

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

具體實(shí)施方式一：使用線性偏振模態(tài)的入射光激發(fā)spr時(shí)，在與顯微物鏡后焦面共軛的圖像傳感器上得到的spr最佳激發(fā)角，其特征為在通光孔徑內(nèi)產(chǎn)生一對(duì)對(duì)稱(chēng)的spr吸收?qǐng)A弧。通光孔徑邊界和spr最佳激發(fā)角位置的精確擬合按以下步驟進(jìn)行：

步驟1：輸入一幀包含線性偏振后焦面信息的矩形圖像，圖像尺寸n×m,將像素值歸一化至[0,1]之間，得到如附圖2所示圖像。

步驟2：針對(duì)實(shí)例原始的圖像數(shù)據(jù)亮度不均勻，單側(cè)較亮，另一側(cè)較暗，使用全局閾值二值化圖像時(shí)，若閾值較小，則通光孔徑暗側(cè)邊界易混淆于背景的無(wú)關(guān)噪聲中難于分辨，而若閾值較大，則通光孔徑左側(cè)邊界難以區(qū)分于孔徑外部分，使通光孔徑暗側(cè)不完整。因此為使通光孔徑的亮暗兩側(cè)均能較完整地區(qū)分于通光孔徑外部分，選用全局閾值與局部閾值相結(jié)合的二值化方法。其中全局閾值選擇最小誤差閾值分割方法，局部閾值是先對(duì)圖像進(jìn)行分塊，然后對(duì)每一子塊內(nèi)的圖像采用最小誤差閾值分割方法計(jì)算子塊閾值，最終將全局閾值與局部閾值結(jié)合起來(lái)完成圖像的二值化。局部二值化過(guò)程中，將原始數(shù)據(jù)分為n塊，此過(guò)程需要選取圖像分塊的大小。不同的分塊大小可能會(huì)使二值化結(jié)果有較大的差異，較大的閾值會(huì)使二維圖像通光孔徑外黑色噪聲點(diǎn)影響增大，較小的閾值會(huì)使圖像輪廓不清晰，需要根據(jù)圖像特征合理選取圖像分塊大小。此處設(shè)置圖像分塊大小時(shí)，需保證二值化后的圖像中通光孔徑清晰區(qū)分于通光孔徑外部分，因此選擇較大的分塊尺寸。以圖像數(shù)據(jù)矩陣左上角為原點(diǎn)，x、y軸正方向分別為右、下方向建立坐標(biāo)系。

步驟3：采用圖像處理中常用的圓檢測(cè)方法霍夫變換對(duì)通光孔徑進(jìn)行粗定位，檢測(cè)到通光孔徑圓心(x0,y0)，半徑r0。依據(jù)此粗定位結(jié)果，以粗估計(jì)圓心位置為中心，取裕量δr，2(r0+δr)為邊長(zhǎng)w，可將原始圖像裁剪為w×w大小的正方形圖像，如附圖5所示，裁減掉大量通光孔徑外部分，后續(xù)即可基于此正方形圖像進(jìn)行圓形檢測(cè)。同時(shí)建立裁剪后圖像左上角為原點(diǎn)的新坐標(biāo)系。

步驟4：對(duì)于裁剪過(guò)的圖像進(jìn)行局部二值化處理，使圖像中通光孔徑明顯區(qū)分于通光孔徑外部分。如步驟2中所述局部二值化時(shí)需要設(shè)置圖像分塊大小，此處需保證二值化后的圖像中通光孔徑輪廓清晰，減小背景噪聲的影響，因此較步驟2節(jié)的分塊大小設(shè)置，此處可選擇稍小的分塊。圖像的寬度為w，實(shí)例中設(shè)置分塊大小為w/6，即可獲得較好的二值化結(jié)果(如附圖6所示)。對(duì)二值化結(jié)果直接進(jìn)行霍夫變換，即可得到通光孔徑邊界的精密位置。檢測(cè)到通光孔徑圓心(x1,y1)，半徑r1，得到如附圖7檢測(cè)的通光孔徑邊界圓環(huán)。

步驟5：所述的二維表面等離子體最佳激發(fā)角所在圓檢測(cè)方法為：從附圖5所示的圓形圖案中可以看出，通光孔徑內(nèi)兩段spr圓弧處的顏色明顯暗于兩側(cè)，由直接觀察可得通光孔徑和spr最佳激發(fā)角所在圓圓心偏差不大，因此兩圓環(huán)視為同心，統(tǒng)計(jì)通光孔徑內(nèi)部沿半徑方向的灰度值分布，得到如附圖8中點(diǎn)狀曲線所示的結(jié)果，在半徑約為r2處，灰度值有一個(gè)明顯的凹陷，因此可說(shuō)明此處即為spr最佳激發(fā)角所在圓的粗略半徑，搜索曲線最小的局部極小值即可確定出此點(diǎn)。為了避免靠近外圓邊界處灰度值局部跳變對(duì)搜索結(jié)果造成影響，先對(duì)該曲線進(jìn)行分段最小二乘擬合，分段長(zhǎng)度為6，段間重合長(zhǎng)度為2，得到較平滑的灰度值分布，如附圖8中實(shí)線曲線所示，spr最佳激發(fā)角所在圓半徑粗估計(jì)值為r2。

步驟6：spr最佳激發(fā)角所在圓附近像素的坐標(biāo)及灰度值的提取涉及形態(tài)學(xué)腐蝕和像素連通性判斷，主要包含以下步驟：

(1)對(duì)附圖7所示原始圖像，選擇新的分塊大小進(jìn)行局部二值化處理，以使spr最佳激發(fā)角特征盡量明顯，此處選擇較步驟4更小的分塊，最終均設(shè)置分塊大小為w/20；

(2)將步驟(1)的二值化圖像反色，根據(jù)步驟4中確定的通光孔徑邊界，將反色后圖像邊界之外的部分灰度值全部置零，如附圖9左上圖所示；

(3)設(shè)置形態(tài)結(jié)構(gòu)元素，對(duì)步驟(2)的結(jié)果進(jìn)行形態(tài)學(xué)腐蝕，選取半徑為3的圓盤(pán)形結(jié)構(gòu)，得到的腐蝕結(jié)果如附圖9右上圖所示；

(4)移除步驟(3)的結(jié)果中連通性小于p的像素點(diǎn)，選擇p的取值時(shí)，應(yīng)保證與spr最佳激發(fā)角無(wú)關(guān)的區(qū)域被盡可能多的移除，得到的結(jié)果如附圖9右下圖所示；

(5)通光孔徑邊界和spr最佳激發(fā)角所在圓視為同圓心，基于步驟5中的最佳激發(fā)角半徑粗估計(jì)結(jié)果r2，取裕量δr1，保留步驟(4)的結(jié)果中半徑在r2±δr1范圍內(nèi)的圖像，其余部分的灰度值全部置零，得到的spr最佳激發(fā)角附近像素坐標(biāo)及灰度值提取，如附圖9左下圖所示。

步驟7：基于步驟6中得到的spr最佳激發(fā)角所在圓附近像素的坐標(biāo)及灰度值的提取結(jié)果，利用最小二乘方法建立圓形模型，結(jié)合圓上點(diǎn)的坐標(biāo)可以得到所求二維表面等離子體圖像最佳激發(fā)角的圓心以及半徑。

假設(shè)圓心為(c1,c2)，半徑為r，則圓形方程可表示如下

(x-c1)²+(y-c2)²＝r²(1)

改寫(xiě)上述方程得到

2xc1+2yc2+c3＝x²+y²(2)

其中

為擬合spr最佳激發(fā)角位置，得到的n個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(x1,y1)，(x2,y2)，…，(xn,yn)，將數(shù)據(jù)點(diǎn)帶入方程(2)可得超定方程組

利用最小二乘方法，求解線性方程，即可得到spr最佳激發(fā)角所在的內(nèi)圓的圓心(c1,c2)和半徑r，其中

基于上述論述，通過(guò)最小二乘方法擬合出的spr最佳激發(fā)角位置如附圖10所示，得到spr最佳激發(fā)角所在圓圓心(c1,c2)，半徑r，對(duì)比原始圖像中的spr最佳激發(fā)角定位精確。

具體實(shí)施方式二：使用徑向偏振模態(tài)的入射光激發(fā)spr時(shí)，在與顯微物鏡后焦面共軛的圖像傳感器上得到的spr最佳激發(fā)角，其特征為在通光孔徑內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)完整的spr吸收?qǐng)A。通光孔徑邊界和spr最佳激發(fā)角位置的精確擬合按以下過(guò)程進(jìn)行：

輸入一幀包含徑向偏振后焦面信息的矩形圖像，將像素值歸一化至[0,1]之間，得到如附圖11所示圖像。采取具體實(shí)施方式1中步驟2-步驟7對(duì)該圖像進(jìn)行處理，其中步驟5-步驟7的處理即為對(duì)通光孔徑內(nèi)spr最佳激發(fā)角對(duì)應(yīng)的吸收環(huán)的處理，以此提取到徑向偏振下spr最佳激發(fā)角精確的圓心和半徑，如附圖12所示。