專利名稱：一種快速成像的掃描采樣和圖像處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光掃描技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及使用科研級CMOS、即sCMOS進(jìn)行快速成像的掃描采樣和圖像處理方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)和科技的發(fā)展，對于快速成像的需求愈加強烈，尤其是對于大體積或者大面積的物體成像。例如在生物學(xué)研究中，了解生物組織器官的結(jié)構(gòu)對于掌握其功能有著很大的促進(jìn)作用，并對于各種功能疾病的診斷提供強有力的科學(xué)根據(jù)。但是由于組織器官(例如大腦)尺寸較大，成像范圍有限，需要多次區(qū)域成像才能獲取到完整的一個平面的組織結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；同時因為生物體具有特異性，需要對大量樣本進(jìn)行成像研究來得到統(tǒng)計性的結(jié)果，所以在對生物大樣本進(jìn)行結(jié)構(gòu)成像時，需要提高數(shù)據(jù)獲取通量，縮短成像時間。傳統(tǒng)點掃描成像技術(shù)是通過控制掃描器件偏轉(zhuǎn)，在物體上進(jìn)行逐點掃描，串行的獲取數(shù)據(jù)，成像速度較慢；傳統(tǒng)線掃描成像是控制掃描器件在樣本表面進(jìn)行線掃描，在對大樣本進(jìn)行成像時，掃描完一個小區(qū)域后移動樣本或者移動掃描探測裝置對下一個區(qū)域掃描，圖像處理時對多個小區(qū)域的成像拼接成整個樣本的圖，對圖像配準(zhǔn)要求較高。而控制物體連續(xù)移動，使用線探測器對物體進(jìn)行成像，可一次性的獲取一個條帶的物體信息，只需要次數(shù)不多的圖像配準(zhǔn)拼接就可以得到完整的物體圖像，成像速度較快。但在提高成像速度，縮短成像時間的基礎(chǔ)上，如何得到較好的圖像質(zhì)量是一個關(guān)鍵問題。尤其很多情況下，需要利用熒光標(biāo)記技術(shù)對感興趣的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行特異性的標(biāo)記，以便將觀察研究的目標(biāo)與其他結(jié)構(gòu)區(qū)別開來。而熒光成像屬于弱光成像，想要得到較為好的圖像對比度和信噪比，首先在探測器的選擇方面是需要有所考慮的，高靈敏度、高量子效率和低讀出噪聲的探測器是首要選擇。科研級CMOS (sCMOS)是近兩年來基于傳統(tǒng)CMOS成像器件上發(fā)展出來的新一代的探測成像器件。其繼承了傳統(tǒng)CMOS高速、低功耗等優(yōu)點，并同時克服了芯片高暗電流、高讀出噪聲、低填充因數(shù)和一致性差等缺點，具有高分辨率、高量子效率、高速全幀幅以及低噪聲、動態(tài)范圍大等特點，尤其適合微弱信號探測。目前所有的主流成像器件(CXD、CMOS、EMCXD等)由于芯片技術(shù)的限制，都不能同時滿足上述sCMOS的技術(shù)特點，所以在弱光成像技術(shù)領(lǐng)域中，采用sCMOS代替其他探測器件將會成為技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。尤其是當(dāng)sCMOS相機工作在subarray (或感興趣區(qū)域采樣R0I)模式時,sCMOS相機只是啟用sCMOS陣列中的某幾行進(jìn)行曝光成像，這種模式下，sCMOS相機的讀出速度快，即掃描速度快。因此，這種模式適合于大樣本快速運動掃描采樣成像。在這種應(yīng)用情形下，采用subarray (或R0I)模式，對同步移動樣品進(jìn)行N行一幀的掃描，然后將若干幅sCMOS陣列掃描采樣幀直接按照掃描時間順序逐一拼接后，生成整個樣品圖像。但是，由于掃描成像速度快，曝光時間短，在相同的光功率下，僅僅采用sCMOS相機的subarray (或R0I)工作模式進(jìn)行采樣成像，得到的整個樣品圖像信號強度弱、對比度低。同時采樣幀包括的像素行數(shù)N值越大，采樣分辨率越低，導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)畸變越嚴(yán)重。
因此，需要探索新的成像和處理方法，實現(xiàn)對于物體諸如微弱熒光大樣品的快速成像，以便同時獲得高分辨率和高信噪比的圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種快速成像的掃描采樣和圖像處理方法，以獲得高分辨率和高信噪比的圖像。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種快速成像的掃描采樣和圖像處理方法，涉及圖像處理裝置，其特征在于，采用sCMOS相機作為成像工具，使sCMOS相機工作于subarray或ROI模式,包括以下步驟:步驟一、開啟所述sCMOS相機；步驟二、控制成像物體在垂直于sCMOS相機采樣方向上連續(xù)平移，樣品的平移速度為每個采樣周期平移η行像素對應(yīng)的寬度,η為整數(shù),且I < η < Ν,Ν為subarray或ROI模式下sCMOS相機的單個采樣幀的像素行數(shù)；步驟三、所述sCMOS相機向所述圖像處理裝置輸出采樣幀，所述圖像處理裝置順序存儲每個采樣幀；步驟四、完成成像物體目標(biāo)區(qū)域掃描后，將所有采樣幀按采樣順序，以所述η行像素的寬度值為步進(jìn)值，逐一移位疊加處理，即得到高分辨率、高信噪比圖像。最優(yōu)選的，所述η等于I。此種情形下，相當(dāng)于sCMOS相機的下一采樣幀相對上一采樣幀的位移為一行像素的寬度距離。本發(fā)明的有益效果:使用最新推出的高靈敏度、高量子效率、讀出噪聲小、讀出速度快的適用于弱光探測的sCMOS成像器件，使其工作在subarray (或R0I)模式，發(fā)揮sCMOS高速采樣的特點。同時，控制成像物體相對sCMOS的移動速度，對得到的采樣幀進(jìn)行圖像拼接和移位疊加處理，快速生成的圖像同時具有高分辨率、高信噪比以及低畸變的優(yōu)點。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體說明。圖1為本發(fā)明利用sCMOS對基于移動平臺的物體快速掃描采樣成像的系統(tǒng)示意圖。圖2為利用典型的sCMOS成像方法進(jìn)行連續(xù)運動掃描采樣時的各連續(xù)幀示意圖。圖3為典型的sCMOS連續(xù)運動掃描采樣方法中sCMOS —個行像素在前后兩個曝光時間的采樣演示示意圖。圖4為本發(fā)明的快速成像的掃描采樣和圖像處理方法的演示示意圖。圖5為本發(fā)明的sCMOS連續(xù)運動掃描采樣方法中sCMOS —個行像素在前后連續(xù)八個曝光時間的采樣演示示意圖。圖6為本發(fā)明將所有的幀，以n=l行像素的寬度為步進(jìn)值，順序進(jìn)行移位疊加處理的演示圖。圖7A為對樣本為200nm熒光小球使用典型的sCMOS成像方法進(jìn)行快速掃描成像的結(jié)果圖。圖7B為圖7A的分析曲線圖。圖8A為對樣本為200nm熒光小球使用本發(fā)明方法進(jìn)行快速掃描成像的結(jié)果圖。圖8B為圖8A的分析曲線圖。
具體實施例方式在本具體實施方式
中，針對新探測器件sCMOS Flash2.8的高速成像工作模式，最先提出基于圖像移位疊加的掃描采樣和圖像處理方法，用于解決基于平臺移動的成像物體快速連續(xù)掃描采樣成像中信號強度弱和分辨率低的問題。如圖1所示的掃描采樣系統(tǒng)示意圖，成像物體放置在平移臺上。掃描采樣過程中，照明光束和探測器sCMOS不移動，平移臺移動，其中移動的速度與探測器幀率和采樣方式相關(guān)。圖中I為sCMOS相機,2為透鏡,4為半反半透鏡,5為物鏡,6為樣本所放置的平臺，7為光源。將成像物體放置在移動平臺上，然后使平臺在垂直于sCMOS相機的方向上進(jìn)行運動，sCMOS相機對照明區(qū)域內(nèi)物體進(jìn)行快速掃描成像。在圖1中加入3 (1)、3 (2)濾光片組后可以對熒光物體進(jìn)行成像。圖2以sCMOS Flash2.8為例，描述了典型的利用sCMOS相機在subarray(或ROI)模式下、N=8時進(jìn)行掃描采樣的各連續(xù)巾貞示意圖,N為subarray或ROI模式下sCMOS相機的單個采樣幀的像素行數(shù)。日本濱松公司的在本具體實施例中的sCMOS Flash2.8像素尺寸為3.63umX 3.63um,工作在subarray (或R0I)模式下時，單個采樣巾貞包括N=8行1920列像素，幀率為1270幀/秒，即曝光時間只有I/幀率 787us，在這種曝光時間下對熒光物體成像收集到的信號較小，圖像對比度較差。且在對物體進(jìn)行空間采樣時，下一幀相對上一幀移動了 8行像素寬度的位移。圖2中9為sCMOS芯片中進(jìn)行工作的8行像素，斜著放置的H字母代表被成像樣品，樣品從下到上進(jìn)行移動，方向如箭頭8所示。10、11、12分別反應(yīng)了物體連續(xù)運動的在三個不同位置的采樣幀區(qū)域，使用8行像素對物體進(jìn)行采樣。如圖3所示，由于每一行像素在曝光時間內(nèi)是對物體空間位置中8行像素大小對應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行信號的獲取，所以對每幀順序拼接成整幅圖像時，在運動方向上分辨率較低，無法對尺寸小于8行像素大小所對應(yīng)的物體細(xì)節(jié)或者細(xì)小的物體進(jìn)行不畸變的成像。在圖3中9表示sCMOS工作的8行像素，在一次曝光時間內(nèi)，如14、15所示物體運動了 8行像素對應(yīng)的空間距離，以第一行像素13為例是對8行像素對應(yīng)的物體空間信息進(jìn)行了采集，物體上用白色虛線框表示的8行像素大小對應(yīng)的區(qū)域。所以得到的圖像有模糊現(xiàn)象，且由于曝光時間較短，信號較弱，對比度不高。如圖4所示，同樣采用上述sCMOS,使sCMOS工作在subarray或ROI模式。采用本發(fā)明的方法，結(jié)合圖4、圖5、圖6所示，包括以下步驟:步驟一、開啟sCMOS對樣品進(jìn)行掃描采樣，并輸出采樣幀到圖像處理裝置(圖1中未示出)。如圖4所示,9表示sCMOS工作的8行像素區(qū)域,樣品斜H向上進(jìn)行運動，16、17、18分別反應(yīng)了物體運動若干個空間位置時的采樣幀區(qū)域；步驟二、控制樣品在垂直于sCMOS相機采樣方向上平移，物體的平移速度為每個采樣周期平移n=l行像素的寬度，即，使sCMOS相機的下一采樣幀相對上一采樣幀對應(yīng)樣品的空間位置移動I行像素寬度的位移。如圖4中，17相對16在物體空間移動了 I行像素所對應(yīng)的距離。在圖5中，9表示sCMOS工作的8行像素。以第一行像素為例，在一個曝光時間內(nèi)采集了用白色虛線框表示的樣品上I行像素大小對應(yīng)的區(qū)域。圖5中19、20、21分別對應(yīng)物體的運動位置，20相對19運動了一個像素對應(yīng)的距離，21相對19運動了 8行像素對應(yīng)的距離,如圖中物體上白色虛線框從19運動到21過程中，被曝光了 8次，樣品的每一個部位都被曝光8次。步驟三、保持物體勻速平移，同時保持sCMOS相機的連續(xù)掃描采樣狀態(tài)，直到掃描完整個物體目標(biāo)區(qū)域。步驟四、將所有的采樣幀按掃描時間先后順序，以I行像素寬度作為步進(jìn)位移，利用圖像處理裝置，進(jìn)行逐一移位疊加處理。具體操作是，按順序?qū)⒌玫降拿恳粠鶊D像對于前一幀幅圖像向后移動一像素行，即第二幀幅圖像的第一像素行對準(zhǔn)第一幀幅圖像的第二像素行，第三幀幅圖像的第一像素行對準(zhǔn)第二幀幅圖像的第二像素行……，以這種方式將所有的圖疊加在一起，即得到最終物體的圖像。如圖6所示，每幀包括同時曝光的8行像素，而每次曝光區(qū)域僅僅平移了 I行像素的距離，因此，移位I行像素疊加處理的效果相當(dāng)于，除了首、尾采樣幀對應(yīng)的物體部位外，其余部位都被進(jìn)行了 8次的曝光，通過疊加大大增強了信號的強度；且采用I行像素的位移采樣方式保證了圖像的高分辨率。最終圖像具有高分辨率、高信噪比以及低畸變的優(yōu)點。雖然圖6中每次曝光得到的圖像信號是比較微弱的，如斜H的上邊尖角，但是通過移位疊加處理后，圖像信號得到加強。圖6中22為對斜H進(jìn)行掃描采樣的每一幀圖像，黑色方框表示8行成像區(qū)域；將22中每一幅圖進(jìn)行移位疊加，如23所示，物體的每一個空間位置都被曝光了 8次，所以將曝光的相同位置疊加起來得到的圖像信號被加強，如24所示。圖7和圖8的實驗結(jié)果也證實了這種方法的正確性和可行性。對于物體為200nm直徑大小的熒光小球進(jìn)行快速掃描成像，圖7A是典型的sCMOS采集方法，沒有使用本發(fā)明所述的掃描采集和成像方法而得到的結(jié)果圖，圖8A是采用本發(fā)明方法進(jìn)行掃描成像得到的結(jié)果圖。將A圖中位置相同的小球放大對比可以看出采用本發(fā)明得到的小球成像圖信號強度大，且小球均勻沒有畸變。圖7B、圖SB分別是圖7A、圖8A中放大后小球在實線和虛線上的強度分布曲線。虛線方向為小球的運動方向，在運動方向上由圖7B圖可以看出，沒有使用本發(fā)明得到的圖像小球產(chǎn)生了畸變，而本發(fā)明得到的小球均勻沒有畸變，圖SB所示。對15個小球進(jìn)行統(tǒng)計計算小球的半高全寬大小得到圖7A中小球為0.79um(±0.064um) X0.47um ( ±0.032um),圖 8A 中小球為 0.50um ( ±0.047um) X0.48um(±0.044um)。圖7A中小球在運動方向相對于靜止方向拉伸了 68%,畸變較為嚴(yán)重。通過對200nm小球成像的結(jié)果對比可以看出本發(fā)明得到的圖像分辨率高。信號強度大，所以在對物體進(jìn)行快速掃描成像時，將會得到信號強，且分辨率高的圖像。最后所 應(yīng)說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種快速成像的掃描采樣和圖像處理方法，涉及圖像處理裝置，其特征在于，采用sCMOS相機作為成像工具，使sCMOS相機工作于subarray或ROI模式，包括以下步驟: 步驟一、開啟所述sCMOS相機； 步驟二、控制成像物體在垂直于sCMOS相機采樣方向上連續(xù)平移，物體的平移速度為平移n行像素的寬度大小除以采樣周期，n為整數(shù)，且I彡n < N，N為subarray或ROI模式下sCMOS相機的單個采樣幀的像素行數(shù)； 步驟三、所述sCMOS相機向所述圖像處理裝置輸出采樣幀，所述圖像處理裝置順序存儲每個采樣幀； 步驟四、完成成像物體目標(biāo)區(qū)域掃描后，將所有采樣幀按采樣順序，以所述n行像素的寬度值為步進(jìn)值，逐一移位疊加處理，即得到高分辨率、高信噪比圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速成像的掃描采樣和圖像處理方法，其特征在于，所述n等于I。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種快速成像的掃描采樣和圖像處理方法。它采用sCMOS相機作為成像工具，使sCMOS相機工作于subarray(或ROI)模式，包括以下步驟利用移動平臺使成像物體在垂直于sCMOS相機采樣方向上以設(shè)定的速度連續(xù)平移，使用sCMOS相機對物體進(jìn)行掃描成像，并輸出采樣幀，最后將所得到的每幀圖像進(jìn)行移位疊加處理，得到成像圖。本發(fā)明利用了subarray(或ROI)模式下sCMOS相機的高速采樣特點，并對sCMOS相機的采樣幀進(jìn)行移位疊加處理，生成的圖像具有高分辨率、高信噪比以及低畸變的優(yōu)點，特別的適用于對大尺寸物體進(jìn)行快速成像。
文檔編號H04N5/225GK103179331SQ201310135808
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者駱清銘, 曾紹群, 龔輝, 鄭廷, 楊濤 申請人:華中科技大學(xué)