一种显微高光谱成像平台及大区域数据立方体采集的方法与流程

本发明涉及显微图像拼接技术领域，尤其是一种显微高光谱成像平台及大区域数据立方体采集的方法。

背景技术：

随着高光谱成像技术的发展，从大地探测到医学领域，高光谱图像在许多领域逐渐发挥着越来越重要的作用。高光谱图像有着精细的空间分辨率和光谱分辨率，在单幅图像上可以传达更多的信息，为物体高精度的识别和分类提供了基石。但是在医学领域，医生仍然使用光学或者电子显微镜来获取载玻片上的单点信息，具有视场较小，光谱范围窄的缺点，因此将显微高光谱成像拼接技术应用在医学领域的需求越来越强烈。

另外，为了解决单张图像视场较小的问题，现有技术在图像领域有很多的图像拼合技术纷纷涌现了出来，主要分为基于特征点与基于区域的图像匹配与拼合方法，其要求图像具有较丰富的色彩信息与纹理信息。存在的问题是，在显微高光谱图像领域，尤其在高倍率物镜的情况下，视场中的图像大多为部分组织，其不具备完整的纹理信息；在高倍率的情况下，组织的边缘也会被放大导致边缘不明显，因此一些基于边缘梯度的特征匹配方法也会造成错误匹配；此外，在显微高光谱成像方面，如何选定一个波长作为特征匹配的参考图像也是一个问题，不同物质在不同波长所体现的透射率均是不同的。因此如何有效地利用显微高光谱图像的光谱维信息来有效地拼合各子区域图像，形成一个大区域显微高光谱图像提供给医生进行诊断是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种显微高光谱成像平台及大区域数据立方体采集的方法，本发明采用光学显微镜、三轴电动载物台、分光器、声光可调谐滤波器、灰度相机及工业控制计算机构成成像平台，并应用成像平台依次完成生成任务采集序列、显微高光谱图像的采集、对显微高光谱图像进行拼接及生成大区域数据立方体的步骤，本发明利用高光谱图像具有较大空间冗余度的特点，通过对显微高光谱图像各子区域图像的有效拼合，形成大视场、大区域的显微高光谱图像，为医生诊断提供完整的显微图像，有效提升诊断的准确率与工作效率。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种显微高光谱成像平台，其特点包括光学显微镜、三轴电动载物台、分光器、声光可调谐滤波器、灰度相机及工业控制计算机；

所述声光可调谐滤波器上设有c卡口转接环；

所述三轴电动载物台上设有pci控制卡；

所述工业控制计算机设有图像采集区域及空白图像区域的输入界面，还设有中央处理器、内存、计算机外设接口及pci控制卡；

所述光学显微镜分别与三轴电动载物台及分光器相连；

所述分光器与声光可调谐滤波器相连，声光可调谐滤波器通过c卡口转接环与灰度相机及工业控制计算机相连，工业控制计算机与三轴电动载物台及灰度相机相连。

一种使用成像平台实施大区域数据立方体采集的方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：生成任务采集序列

由工业控制计算机的输入界面手动选定图像采集区域及空白图像区域的范围，由工业控制计算机按手动选定的范围设定三轴电动载物台按行列依次移动的轨迹及采集点；依次对图像采集区域即载玻片上有组织的区域及空白图像区域即载玻片上无组织的区域分别进行采集点的录入，生成采集任务序列。

步骤2：显微高光谱图像的采集

依据采集任务序列，由工业控制计算机控制三轴电动载物台相对于光学显微镜按设定的移动轨迹移动到相应采集点，将光学显微镜获取的信息通过分光器、声光可调谐滤波器及灰度相机生成多幅有组织的与两副无组织的显微高光谱图像，以下称有组织图像与无组织图像。

步骤3：对显微高光谱图像进行拼接

将多幅有组织图像及两副无组织图像依次输入工业控制计算机，工业控制计算机按行列顺序对相邻两幅有组织图像读取，并存入工业控制计算机的内存，由工业控制计算机逐一将有组织的图像与无组织图像进行比对、矫正白平衡及去噪处理；然后由工业控制计算机的中央处理器依次进行加速稳健特征值的计算，并根据此特征值计算图像转换矩阵，最后对多幅有组织图像逐幅进行图像拼接，构造出拼接后的显微高光谱图像。

步骤4：生成大区域数据立方体

工业控制计算机在构造出拼接后的显微高光谱图像的同时，还储存了高光谱图像的元数据，其中包含了图像的分辨率、图像数据的组合形式、图像的名称、图像的曝光时长、图像拍摄时的物镜倍数、图像的起始波段图像、图像的终止波段、图像的波段数及图像的物理三维坐标，将拼接后的显微高光谱图像与元数据的结合，生成大区域数据立方体。

本发明采用光学显微镜、三轴电动载物台、分光器、声光可调谐滤波器、灰度相机及工业控制计算机构成成像平台，并应用成像平台依次完成生成任务采集序列、显微高光谱图像的采集、对显微高光谱图像进行拼接及生成大区域数据立方体的步骤，本发明利用高光谱图像具有较大空间冗余度的特点，通过对显微高光谱图像各子区域图像的有效拼合，形成大视场、大区域的显微高光谱图像，为医生诊断提供完整的显微图像，有效提升诊断的准确率与工作效率。

附图说明

图1为本发明成像平台的结构示意图；

图2为本发明成像平台的工作流程图。

具体实施方式

本发明成像平台包括光学显微镜1、三轴电动载物台2、分光器3、声光可调谐滤波器4、灰度相机5及工业控制计算机7；

所述声光可调谐滤波器4上设有c卡口转接环；

所述三轴电动载物台2上设有pci控制卡；

所述工业控制计算机7设有图像采集区域及空白图像区域的输入界面，还设有中央处理器、内存、计算机外设接口及pci控制卡；

所述光学显微镜1分别与三轴电动载物台2及分光器3相连；

所述分光器3与声光可调谐滤波器4相连，声光可调谐滤波器4通过c卡口转接环与灰度相机5及工业控制计算机7相连，工业控制计算机7与三轴电动载物台2及灰度相机5相连。

本发明使用成像平台实施大区域数据立方体采集的方法包括如下步骤：

步骤1：生成任务采集序列

由工业控制计算机7的输入界面手动选定图像采集区域及空白图像区域的范围，由工业控制计算机7按手动选定的范围设定三轴电动载物台2按行列依次移动的轨迹及采集点；依次对图像采集区域即载玻片上有组织的区域及空白图像区域即载玻片上无组织的区域分别进行采集点的录入，生成采集任务序列。

步骤2：显微高光谱图像的采集

依据采集任务序列，由工业控制计算机7控制三轴电动载物台2相对于光学显微镜1按设定的移动轨迹移动到相应采集点，将光学显微镜1获取的信息通过分光器3、声光可调谐滤波器4及灰度相机5生成多幅有组织的与两副无组织的显微高光谱图像，以下称有组织图像与无组织图像。

步骤3：对显微高光谱图像进行拼接

将多幅有组织图像及两副无组织图像依次输入工业控制计算机7，工业控制计算机7按行列顺序对相邻两幅有组织图像读取，并存入工业控制计算机7的内存，由工业控制计算机7逐一将有组织的图像与无组织图像进行比对、矫正白平衡及去噪处理；然后由工业控制计算机7的中央处理器依次进行加速稳健特征值的计算，并根据此特征值计算图像转换矩阵，最后对多幅有组织图像逐幅进行图像拼接，构造出拼接后的显微高光谱图像。

步骤4：生成大区域数据立方体

工业控制计算机7在构造出拼接后的显微高光谱图像的同时，还储存了高光谱图像的元数据，其中包含了图像的分辨率、图像数据的组合形式、图像的名称、图像的曝光时长、图像拍摄时的物镜倍数、图像的起始波段图像、图像的终止波段、图像的波段数及图像的物理三维坐标，将拼接后的显微高光谱图像与元数据的结合，生成大区域数据立方体。

实施例

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1，显微高光谱成像平台的工作过程如下：

本发明提供的高光谱成像平台由光学显微镜1、三轴电动载物台2、分光器3、声光可调谐滤波器4、灰度相机5及工业控制计算机7构成。

三轴电动载物台2通过其在三维空间的移动向光学显微镜1提供图像采集区域或空白图像区域的采集点，由工业控制计算机7控制并且记录三轴电动载物台2按行列依次移动的轨迹及每个采集点的位置。

分光器3用于将光学显微镜1的光线投射到声光可调谐滤波器4与灰度相机5中，由工业控制计算机7动态调整声光可调谐滤波器4的过滤范围，透射一定波长的光进入灰度相机5进行拍摄；工业控制计算机7除了用于控制硬件以外，还为图像的采集、矩阵变换及拼接提供运算支持以及存储支持。

参阅图1、图2，使用显微高光谱成像平台实施大区域数据立方体采集的具体方法如下：

1、生成采集任务序列

1.1、手动选定图像采集区域及空白图像区域

由工业控制计算机7的输入界面手动选定图像采集区域及空白图像区域的范围。

1.2、设定三轴电动载物台2的移动轨迹及采集点

由工业控制计算机7按手动选定图像采集区域及空白图像区域编辑设定三轴电动载物台2的移动轨迹及各个采集点的位置。

1.3、进行采集点的录入

将工业控制计算机7获取的图像采集区域的采集点的坐标信息进行记录，并计算出三轴电动载物台2的移动轨迹、移动步长及所有采集点的坐标，通过工业控制计算机7控制三轴电动载物台2的移动步长及步数，以保证所拍摄的两张相邻的图像的横向与纵向具有一定的重叠区域，且所拍摄的区域完整覆盖图像采集区域，生成采集任务序列；工业控制计算机7计算出空白图像区域内所需的两个采集点，保证两个采集点均匀分布在空白图像区域内，将这两个采集点加入至采集任务序列末尾。

2、显微高光谱图像的采集

2.1、实施显微高光谱图像采集

工业控制计算机7从采集任务序列中获取当前采集点的信息，工业控制计算机7根据采集点中坐标信息，控制三轴电动载物台2进行移动，当三轴电动载物台2移动结束后，工业控制计算机7根据采集点中显微高光谱图像的拍摄参数对灰度相机5以及声光可调谐滤波器4进行设定，设定结束后逐波段进行显微高光谱图像的数据采集。

当显微高光谱图像的数据采集完毕后，工业控制计算机记录这幅显微高光谱图像的元数据信息，为之后图像处理提供额外的信息；所述元数据信息包括显微高光谱图像的分辨率、显微高光谱图像数据的组合形式、显微高光谱图像的名称、显微高光谱图像的曝光时长、显微高光谱图像拍摄时的物镜倍数、显微高光谱图像的起始波段图像、显微高光谱图像的终止波段、显微高光谱图像的波段数及显微高光谱图像的物理三维坐标。

2.2、生成多幅有组织的显微高光谱图像

工业控制计算机7以2.1款所述的方式对图像采集区域内的所有采集点进行数据采集工作，生成多幅有组织的显微高光谱图像。

2.3、生成两幅无组织的显微高光谱图像

工业控制计算机7以2.1款所述的方式对空白图像区域内的两个采集点进行数据采集工作，生成两幅无组织的显微高光谱图像。

3、对显微高光谱图像进行拼接

3.1读入显微高光谱图像数据

将多幅有组织图像及两副无组织图像依次输入工业控制计算机7，工业控制计算机7按行列顺序对相邻两幅有组织图像读取，并存入工业控制计算机7的内存。工业控制计算机7读入两幅无组织图像，一并存入工业控制计算机7的内存。

3.2显微高光谱图像预处理

工业控制计算机计算系统7对有组织图像与无组织图像进行逐波段相除，以此消除光源以及灰尘等的影响；工业控制计算机计算系统7以如上方式分别对两幅有组织图像进行光谱的矫正和条带噪声消除的工作，保证显微高光谱图像的干净清晰，提升显微高光谱图像拼接的稳定性。

3.3显微高光谱图像拼接

工业控制计算机计算系统7依次将每组的两幅相邻的有组织图像进行加速稳健特征值的计算，并根据此特征值计算图像转换矩阵。工业控制计算机计算系统7依据转换矩阵对多幅有组织图像逐幅进行拼接工作，构造拼接后的显微高光谱图像。

4、生成大区域数据立方体

当显微高光谱图像拼接完毕后，工业控制计算机7计算系统根据各子显微高光谱图像的元数据信息，生成此大区域显微高光谱图像的元数据信息，并综合图像数据信息，生成此大区域数据立方体。