利用二維ccd攝像機進行光密度測量的技術的製作方法

2023-12-09 04:39:36 1

專利名稱：利用二維ccd攝像機進行光密度測量的技術的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用二維CCD攝像機進行光密度測量的技術，屬於光學測量技術領域。
光密度的測量一直是一個受關注的課題，早期有進行一維測量的一維光密度計以及顯微分光光度計等，但其測量速度慢，不能進行形態分析以及價格高昂，沒被廣泛使用；隨著對光密度需要進行形態分析和提高測量速度、精度的要求，目前已出現了利用二維攝像機和計算機等部件構成的包含有光密度測量功能的分析系統及其應用技術，但由於這些系統沒有能正確利用攝像機的性能，沒有合理的理論依據，不能得到穩定的測量條件，因而得不到正確的可重複的測量結果，難於實際應用。
針對上述問題，本發明的目的在於對被測物提供一種二維光密度測量技術，它能對被測物進行二維光密度測量，保留重要的二維形態信息，提高測量精度和速度。能測量載玻片上的生物組織樣品圖象和感光膠片上的感光圖象以及其它屬於透射性的圖象的光密度。
本發明採用二維CCD攝像機、視頻圖象採集卡以及相應的圖象分析軟體為其基本設備。
市場上出售的CCD攝像機其輸出視頻信號電壓與照射到該攝像機感光面上的光照強度一般滿足如下關係中的一種①線性關係V＝Ki+v0；②對數關係V＝Klogi+v0①式中V——輸出電壓V0——電壓初值(常數)
我們先分析對數關係的攝像機，A/D轉換器獲得的數位訊號與攝像機的輸出信號電壓有如下關係l＝nv+l0②式中L——信號量化等級或灰度級l0——灰度級初值(常數)n——A/D轉換器放大係數(常數)將①式代入②式可得A/D轉換器獲得的數位訊號與輸入光強度的關係l＝nklogi+nv0+l0＝Klogi+C ③式中K為系統增益，C為系統初值，並且均為常數。根據Lambert-Beer定率可得D＝log(iin/iout)＝logiin-logiout(4)式中 D——所需測量的光密度值iin——用於照射物體的入射光強度iout——透過物體的透射光強度將(3)式代入(4)式得D＝(lin-lout)/M (5)式中 lin——反映入射光強度的灰度值lout——反映透射光強度的灰度值M——常數，可由實驗獲得對於二維分布圖象，上式應為D(x，y)＝(lin(x，y)-lout(x，y)/M修改成為D(x，y)＝A(lin(x，y)-lout(x，y))+B⑥式中lin(x，y)反映入射光的全透過圖象，lout(x，y)反映透射光的透過待測物的圖象，A、B均為常數，它是通過我們以下介紹的系統調零和記錄全透過圖象技術再利用標準光密度片進行數據回規來確定。
對於具有線性關係的攝像機，我們可在攝像機與A/D轉換器之間加入模擬信號對數變換器，按上述步驟，可同樣得到(6)式的結論。
由(6)式表明，利用全透過圖象的灰度值lin(x，y)和透過待測物圖象的灰度值lout(x，y)的差值進行適當的線性變換，我們就能得到待測物圖象的光密度值。遵循這一總的方法，我們的測量技術便有以下步驟首先進行系統調零，先將一待測物置於顯微鏡的物鏡下並調節顯微鏡的聚焦裝置至屏幕圖象清晰，然後將待測物從物鏡下移開，使照明光源直接照射物鏡，這時調節顯微鏡的光源亮度，控制電位器使光源儘可能亮，在光路上加入不同的中性衰減濾片並結合調節顯微鏡孔徑光欄以改變光照強度。在整個調零過程中，圖象採集卡應處於連續採樣狀態，而計算機軟體要不斷地從圖象採集卡中獲得圖象數據，並計算每一幀圖象中一定區域內數據的平均值，同時要與一給定值進行比較，此給定值範圍是200-250，在同一測量系統中保持不變。光照強度的變化會使每一幀圖象數據發生變化。仔細調節光照強度使其達到特定值，從而使每幀圖象中固定區域內數據的平均值與給定值差值等於零，這時調零過程就告結束。
然後，將此時的全透圖象的數據記錄到一個特定地方，以備後用。此圖象的數據即反映了入射光的強度及分布，記為lin(x、y)。只要光路上的條件不發生改變(如物鏡倍數，攝象機位置等)這些數據可以一直使用，而不必重新記錄全透過圖象。
經過系統調零和記錄全透過圖象後，若直接採集載體上的待測物圖象記為lout(x，y)，並利用(6)式進行光密度轉換，這時得到的光密度值不是待測物本身的光密度值，而是待測物和載體共同的光密度值，要得到待測物的光密度值就需扣除載體的影響，因此本測量技術的最後一步就是用補償法來得到待測物圖象的光密度值，有三種補償法可供選擇a.光補償法在系統調零並記錄了全透過圖象之後，將待測物所在載體的空白處(如載玻片與蓋玻片共同的空白處)置於顯微鏡中的視場中，然後從新作業系統調零。此時的調零其作用並不是調整系統零點，而是調節光強使此時照射到顯微鏡物鏡的光強與記錄全透過圖像時的光強度一致，以此來補償因載體和光源變化造成的零點漂移對測量的影響。在這樣的調零過程中，不要移動載體而應保持載體的空白圖象一直在視場中，也就是說此時調零是以載體的空白為基礎。結束調零的條件與前面的調零條件相同。調零結束後，再將待測物圖象移到視場中並對其採樣。將此時採得的圖象作為透射圖象lout(x，y)，利用(6)式進行光密度轉換，這樣得到的光密度值才是待測物本身的光密度值。利用這種方法測量光密度值，每換一件待測樣品都要從新調零，操作步驟稍微複雜一些。
b.差值補償法在系統調零並記錄了全透過圖象之後，將待測物所在載體的空白處置於顯微鏡的視場中，然後對這一空白圖象進行採樣得loutx、y)。計算這一空白圖象的均值與前面系統調零時所得到的全透過圖象的均值的差值，Δ1＝lemp(x，y)-lin(x，y)並將這一差值保存起來作為補償值。以上步驟結束後再將待測物圖象移到視場中並對其採樣。將此時採得的圖象作為透射圖象lout(x，y)。此時(6)式應作相應的修正，修正公式如下D(x，y)＝A(lin(x，y)-lout(x，y)+Δ1)+B(7)利用(7)式進行光密度轉換得到的光密度值才是待測物本身的光密度值。利用這種方法測量光密度，更換樣品時不需要從新調零，只需從新計算Δ1。但要注意Δ1值應在一定的範圍內才能保證精度，超出這一範圍應使用其它補償法。
c.背景補償法利用這種方法測量光密度值時，前面的系統調零和記錄全透過圖象的過程應在將待測物所在載體的空白處置於顯微鏡的視場中的條件下進行。系統調零結束並記錄了全透過圖象後再將待測物圖象移到視場中並對其採樣。將此時採得的圖象作為透射圖象lout(x，y)，利用(6)式進行光密度轉換，這樣得到的光密度值才是待測物本身的光密度值。利用這種方法測量光密度值，每換一件樣品都要從新調零並記錄全透過圖象，操作步驟較複雜。
本發明的整個技術中，它對於圖象數據的計算、比較、判斷與記錄都是通過計算機來完成。
本發明研究的利用二維CCD攝像機進行光密度測量技術，合理選擇並有效利用了CCD攝像機的性能，採取了系統調零、記錄全透過圖象以及相應的補償技術，它是對被測物進行二維面的測量，其測量數據量遠遠超過一維光密度計一維線測量的數據量，不但保留了重要的二維形態信息，還大大提高了測量精度和速度。通過發明人在自行研製的Tiger 920G圖象分析儀中應用，用來獲取細胞或組織的光密度分布圖象，效果良好。
下面結合本技術在獲取細胞的光密度分布圖象中的具體實施，來進一步說明本技術。
我們利用的設備是由光學顯微鏡，波長為520-550nm的帶通光學濾片，二維黑白CCD攝像機、光學接駁器、視頻圖象採集卡(A/D轉換器)、486計算機、測量及分析軟體組成，待測物為生物組織截片，它被置於載體載玻片與蓋玻片之間。
首先進行系統調零，先將待測物置於顯微鏡下，並調節顯微鏡的聚焦裝置至屏幕圖象清晰，然後將待測物移開，使照明光源直接照射物鏡，這時調節顯微鏡的光源亮度控制電位器使光源儘可能亮，在光路上加入不同的中性衰減濾片，並結合調節顯微鏡孔徑光欄以改變光照強度，在此過程中圖象採集卡應連續採樣，且計算機軟體不斷從圖象採集卡獲得數據並計算每一幀圖象中一定區域內數據的平均值，同時與一給定值230進行比較仔細調節光照強度使得每幀圖象中固定區域內數據的平均值與給定值230相等，從而使光照度達到特定值，調零結束。
然後計算機將此時的全透過圖象記錄到一個特定的地方以備後用，記為lin(x，y)。
最後，採用光補償法進行補償，先將待測物生物組織截片所在的載玻片與蓋玻片共同的空白處置於顯微鏡的視場中，調節光強度，計算機判斷使此時照射到顯微鏡的光強與記錄全透過圖象時的光強度一致，以此來補償因載體以及光源變化造成的零點漂移；然後再將待測物生物組織截片移到視場中並對其採樣，計算機此時獲得的圖象記為透射圖象lout(x，y)，利用(6)式進行光密度轉換，得到被測生物組織截片的光密度圖象D(x，y)。
權利要求
1.一種利用二維CCD攝像機進行光密度測量的技術，其特徵在於它是針對CCD攝像機的性能，利用全透過圖象的灰度值lin(x，y)和透過待測物圖象的灰度值lout(x，y)的差值進行適當線性變換獲得待測物光密度值D(x，y)，包括系統調零、記錄全透過圖象和對待測物密度圖象的補償，它的圖像數據計算、判斷和記錄都是通過計算來完成。
2.根據權利要求1所述的光密度測量技術，其特徵在於系統調零是在系統調零狀態下，將待測物置於顯微鏡的物鏡下調焦至圖象清晰，移開後，通過調節光源亮度控制電位器，在光路上加不同的中性衰減片，再結合調節顯微鏡孔徑光欄，使連續採集的每一幀圖象中固定區域內數據的平均值與給定值的差值等於零，從而使光照強度達到特定值，調零結束；然後記錄此時全透過圖象的數據以備後用，記為lin(x，y)。
3.根據權利要求1所述的光密度測量技術，其特徵在於它還要進行對待測物密度圖象的補償，方法有三種a、光補償法將待測物所在載體的空白處置於顯微鏡視場中，調節光照強度使此時照射到顯微鏡物鏡的光照強度與記錄全透過圖像時的光照強度一致，來補償因載體以及光源變化造成的零點漂移，然後將待測物圖象移到視場中並採樣，記為透射圖象lout(x，y)，再進行線性轉換，獲得待測物光密度值；b、差值補償法將待測物所在載體的空白處置於顯微鏡視場中採樣得lemp(x，y)，代入式Δ1＝lemp(x、y)-lin(x＞y)，Δ1作為補償值；再將待測物移至視場中對其採樣，記為lout(x，y)，利用修正公式D(x，y)＝A(lin(x，y)-lout(x，y)+Δ1)+B進行轉換，得待測物光密度值；c、背景補償法系統調零和記錄全透過圖象的過程應在將待測物所在的載體的空白處置於顯微鏡的視場中的條件下進行，系統調零和記錄全透過圖象後，再將待測物圖象移到視場中並採樣，記為lout(x，y)，經線性轉換，得待測物光密度值。
全文摘要
本發明是一種利用二維CCD攝像機進行光密度測量的技術，通過合理利用CCD攝像機的性能，研究出利用全透過圖象灰度值lin(x＞y)和透過待測物的圖象灰度值lout(x＞y)的差值進行適當線性變換來獲得待測物光密度值的方法，測量過程包括系統調零，記錄全透過圖象和對被測物密度圖象進行補償幾步，它能對被測物進行二維光密度測量，保留重要的二維形態信息，提高測量精度和速度。可用於測量載玻片上的生物組織樣品圖象和感光膠片上的感光圖象以及其它屬於透射性的圖象的光密度。
文檔編號G01J1/00GK1149713SQ9511816
公開日1997年5月14日 申請日期1995年11月7日 優先權日1995年11月7日
發明者夏志堅, 夏潮勇 申請人:夏志堅, 夏潮勇